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Los minerales de hierro [1] son rocas y minerales de los que se puede extraer hierro metálico de forma económica. Los minerales suelen ser ricos en óxidos de hierro y varían en color desde gris oscuro, amarillo brillante o morado oscuro hasta rojo oxidado. El hierro se encuentra generalmente en forma de magnetita ( Fe
3Oh
4, 72,4% Fe), hematita ( Fe
2Oh
3, 69,9% Fe), goethita ( FeO(OH) , 62,9% Fe), limonita ( FeO(OH)·n(H 2 O) , 55% Fe) o siderita ( FeCO 3 , 48,2% Fe).
Los minerales que contienen cantidades muy altas de hematita o magnetita, típicamente más de un 60% de hierro, se conocen como minerales naturales o minerales de envío directo , y pueden ser alimentados directamente a los altos hornos de fabricación de hierro . El mineral de hierro es la materia prima utilizada para fabricar arrabio , que es una de las principales materias primas para fabricar acero : el 98% del mineral de hierro extraído se utiliza para fabricar acero. [2] En 2011, el Financial Times citó a Christopher LaFemina, analista de minería de Barclays Capital, diciendo que el mineral de hierro es "más integral para la economía global que cualquier otro producto básico, excepto quizás el petróleo ". [3]
El hierro metálico es prácticamente desconocido en la superficie de la Tierra , excepto en forma de aleaciones de hierro y níquel provenientes de meteoritos y formas muy raras de xenolitos del manto profundo . Aunque el hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre , representando aproximadamente el 5%, la gran mayoría está ligada a minerales de silicato o, más raramente, de carbonato , y fundir hierro puro a partir de estos minerales requeriría una cantidad prohibitiva de energía. Por lo tanto, todas las fuentes de hierro utilizadas por la industria humana explotan minerales de óxido de hierro comparativamente más raros, principalmente hematita .
Las sociedades prehistóricas utilizaban la laterita como fuente de mineral de hierro. Antes de la revolución industrial, la mayor parte del hierro se obtenía de la goethita o del mineral de pantano , ampliamente disponibles , por ejemplo, durante la Revolución estadounidense y las guerras napoleónicas . Históricamente, gran parte del mineral de hierro utilizado por las sociedades industrializadas se ha extraído de depósitos predominantemente de hematita con leyes de alrededor del 70% de Fe. Estos depósitos se denominan comúnmente "minerales de envío directo" o "minerales naturales". La creciente demanda de mineral de hierro, junto con el agotamiento de los minerales de hematita de alta calidad en los Estados Unidos, condujo después de la Segunda Guerra Mundial al desarrollo de fuentes de mineral de hierro de menor calidad, principalmente el uso de magnetita y taconita .
Los métodos de extracción de mineral de hierro varían según el tipo de mineral que se extrae. Existen cuatro tipos principales de depósitos de mineral de hierro que se explotan actualmente, según la mineralogía y la geología de los depósitos de mineral. Estos son los depósitos de magnetita, titanomagnetita , hematita masiva y de piedra de hierro pisolítica .
El origen del hierro se puede rastrear en última instancia hasta su formación a través de la fusión nuclear en las estrellas, y se cree que la mayor parte del hierro se originó en estrellas moribundas que son lo suficientemente grandes como para explotar como supernovas . [4] Se cree que el núcleo de la Tierra está compuesto principalmente de hierro, pero este es inaccesible desde la superficie. Se cree que algunos meteoritos de hierro se originaron a partir de asteroides de 1000 km (620 mi) de diámetro o más. [5]
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Las formaciones de hierro bandeado (BIF) son rocas sedimentarias que contienen más del 15% de hierro compuestas predominantemente de minerales de hierro en capas delgadas y sílice (como cuarzo ). Las formaciones de hierro bandeado ocurren exclusivamente en rocas precámbricas y comúnmente están metamorfoseadas de débil a intensamente . Las formaciones de hierro bandeado pueden contener hierro en carbonatos ( siderita o ankerita ) o silicatos ( minnesotaíta , greenalita o grunerita ), pero en aquellas extraídas como minerales de hierro, los óxidos ( magnetita o hematita ) son el principal mineral de hierro. [6] Las formaciones de hierro bandeado se conocen como taconita en América del Norte.
La minería implica mover enormes cantidades de mineral y desechos. Los desechos se presentan en dos formas: lecho de roca no mineral en la mina ( sobrecarga o intercarga, conocida localmente como mullock) y minerales no deseados, que son una parte intrínseca de la roca mineral en sí ( ganga ). El mullock se extrae y se apila en vertederos de desechos , y la ganga se separa durante el proceso de beneficio y se elimina como relaves . Los relaves de taconita son principalmente el mineral cuarzo , que es químicamente inerte. Este material se almacena en grandes estanques de sedimentación de agua regulados.
Los parámetros clave para que el mineral de magnetita sea económico son la cristalinidad de la magnetita, el grado del hierro dentro de la roca madre de la formación de hierro bandeado y los elementos contaminantes que existen dentro del concentrado de magnetita. El tamaño y la proporción de la mayoría de los recursos de magnetita son irrelevantes, ya que una formación de hierro bandeado puede tener cientos de metros de espesor, extenderse cientos de kilómetros a lo largo del rumbo y puede llegar fácilmente a contener más de tres mil millones o más de toneladas de mineral.
El grado típico de hierro en el que una formación de hierro bandeado con magnetita se vuelve económica es de aproximadamente 25% de hierro, lo que generalmente puede producir una recuperación de magnetita de 33% a 40% en peso, para producir un concentrado con una graduación superior al 64% de hierro en peso. El concentrado típico de mineral de hierro con magnetita tiene menos de 0,1% de fósforo , 3–7% de sílice y menos de 3% de aluminio .
A partir de 2019, el mineral de hierro magnetita se extrae en Minnesota y Michigan en los Estados Unidos , el este de Canadá y el norte de Suecia . [7] La formación de hierro bandeado que contiene magnetita se extrae ampliamente en Brasil a partir de 2019, que exporta cantidades significativas a Asia , y hay una industria de mineral de hierro magnetita naciente y grande en Australia .
Los depósitos de mineral de hierro de envío directo (DSO) (compuestos típicamente de hematita ) se explotan actualmente en todos los continentes, excepto la Antártida , con mayor intensidad en América del Sur , Australia y Asia. La mayoría de los grandes depósitos de mineral de hierro de hematita provienen de formaciones de hierro bandeado alterado y (raramente) de acumulaciones ígneas.
Los depósitos de DSO son típicamente más raros que los de BIF que contienen magnetita u otras rocas que forman su fuente principal, o roca protolítica, pero son considerablemente más baratos de extraer y procesar ya que requieren menos beneficio debido al mayor contenido de hierro. Sin embargo, los minerales de DSO pueden contener concentraciones significativamente más altas de elementos de penalización, siendo típicamente más altos en fósforo, contenido de agua (especialmente acumulaciones sedimentarias de pisolita ) y aluminio ( arcillas dentro de pisolitas). Los minerales de DSO de grado de exportación generalmente están en el rango de 62-64% Fe. [8]
En ocasiones se utilizaron granito y rocas ígneas ultrapotásicas para segregar cristales de magnetita y formar masas de magnetita adecuadas para la concentración económica. [9] Unos pocos depósitos de mineral de hierro, en particular en Chile , se forman a partir de flujos volcánicos que contienen importantes acumulaciones de fenocristales de magnetita . [10] Los depósitos de mineral de hierro de magnetita chilenos en el desierto de Atacama también han formado acumulaciones aluviales de magnetita en arroyos que provienen de estas formaciones volcánicas.
En el pasado, se han explotado algunos depósitos de magnetita skarn e hidrotermales como depósitos de mineral de hierro de alta calidad que requieren poco beneficio . Existen varios depósitos de esta naturaleza asociados al granito en Malasia e Indonesia .
Otras fuentes de mineral de hierro magnetita incluyen acumulaciones metamórficas de mineral de magnetita masivo como el de Savage River , Tasmania , formado por cizallamiento de ultramáficos ofiolíticos .
Otra fuente menor de minerales de hierro son las acumulaciones magmáticas en intrusiones estratificadas que contienen una magnetita que normalmente contiene titanio , a menudo con vanadio . Estos minerales forman un nicho de mercado, y se utilizan fundiciones especializadas para recuperar el hierro, el titanio y el vanadio. Estos minerales se benefician de manera esencialmente similar a los minerales de formación de hierro bandeado, pero por lo general se mejoran más fácilmente mediante trituración y cribado . El concentrado típico de titanomagnetita tiene un contenido de 57 % de Fe, 12 % de Ti y 0,5 % de V.
2Oh
5. [ cita requerida ]
Por cada tonelada de concentrado de mineral de hierro producido, se descargarán aproximadamente entre 2,5 y 3,0 toneladas de relaves de mineral de hierro. Las estadísticas muestran que cada año se descargan 130 millones de toneladas de relaves de mineral de hierro. Si, por ejemplo, los relaves de la mina contienen un promedio de aproximadamente un 11% de hierro, se desperdiciarían aproximadamente 1,41 millones de toneladas de hierro al año. [11] Estos relaves también tienen un alto contenido de otros metales útiles como cobre , níquel y cobalto , [12] y se pueden utilizar para materiales de construcción de carreteras como pavimento y relleno y materiales de construcción como cemento, vidrio de baja calidad y materiales de pared. [11] [13] [14] Si bien los relaves son un mineral de calidad relativamente baja, también son económicos de recolectar, ya que no tienen que ser extraídos. Debido a esto, empresas como Magnetation han iniciado proyectos de recuperación en los que utilizan relaves de mineral de hierro como fuente de hierro metálico. [11]
Los dos métodos principales para reciclar el hierro de los relaves de mineral de hierro son la tostación magnetizante y la reducción directa. La tostación magnetizante utiliza temperaturas entre 700 y 900 °C (1292 y 1652 °F) durante un tiempo de menos de 1 hora para producir un concentrado de hierro (Fe 3 O 4 ) que se utilizará para la fundición de hierro. Para la tostación magnetizante, es importante tener una atmósfera reductora para evitar la oxidación y la formación de Fe 2 O 3 porque es más difícil de separar ya que es menos magnético. [11] [15] La reducción directa utiliza temperaturas más altas de más de 1000 °C (1830 °F) y tiempos más largos de 2 a 5 horas. La reducción directa se utiliza para producir hierro esponjado (Fe) que se utilizará para la fabricación de acero. La reducción directa requiere más energía, ya que las temperaturas son más altas y el tiempo es más largo y requiere más agente reductor que la tostación magnetizante. [11] [16] [17]
Las fuentes de mineral de hierro de menor calidad generalmente requieren un beneficio , utilizando técnicas como trituración, molienda , separación por gravedad o medios pesados , cribado y flotación con espuma de sílice para mejorar la concentración del mineral y eliminar las impurezas. Los resultados, polvos de mineral fino de alta calidad, se conocen como finos.
La magnetita es magnética y, por lo tanto, se separa fácilmente de los minerales de ganga y es capaz de producir un concentrado de alto grado con niveles muy bajos de impurezas.
El tamaño de grano de la magnetita y su grado de mezcla con la masa de sílice molida determinan el tamaño de molienda al que se debe triturar la roca para permitir una separación magnética eficiente y proporcionar un concentrado de magnetita de alta pureza. Esto determina los insumos de energía necesarios para ejecutar una operación de molienda.
La extracción de formaciones de hierro en bandas implica un triturado grueso y un cribado, seguido de un triturado grueso y una molienda fina para triturar el mineral hasta el punto en que la magnetita y el cuarzo cristalizados sean lo suficientemente finos como para que el cuarzo quede atrás cuando el polvo resultante pase por un separador magnético.
En general, la mayoría de los depósitos de formación de hierro bandeado de magnetita deben molerse a un tamaño de entre 32 y 45 μm (0,0013 y 0,0018 pulgadas) para producir un concentrado de magnetita con bajo contenido de sílice. Los grados de concentrado de magnetita generalmente tienen más del 70 % de hierro en peso y, por lo general, tienen un bajo contenido de fósforo, aluminio, titanio y sílice, y exigen un precio superior.
Debido a la alta densidad de la hematita en relación con la ganga de silicato asociada , la beneficiación de la hematita generalmente implica una combinación de técnicas de beneficiación. Un método se basa en pasar el mineral finamente triturado sobre una suspensión que contiene magnetita u otro agente como ferrosilicio que aumenta su densidad. Cuando la densidad de la suspensión está calibrada correctamente, la hematita se hundirá y los fragmentos de mineral de silicato flotarán y podrán eliminarse. [18]
El hierro es el metal más utilizado en el mundo: el acero, cuyo componente clave es el mineral de hierro, representa casi el 95% de todo el metal utilizado cada año. [3] Se utiliza principalmente en estructuras, barcos, automóviles y maquinaria.
Las rocas ricas en hierro son comunes en todo el mundo, pero las operaciones de extracción comercial de mineral de hierro están dominadas por los países que se enumeran en la tabla al costado. La principal limitación para la economía de los depósitos de mineral de hierro no es necesariamente la calidad o el tamaño de los depósitos, porque no es particularmente difícil demostrar geológicamente que existe suficiente tonelaje de rocas. La principal limitación es la posición del mineral de hierro en relación con el mercado, el costo de la infraestructura ferroviaria para llevarlo al mercado y el costo de la energía necesaria para hacerlo.
La extracción de mineral de hierro es un negocio de gran volumen y bajo margen, ya que el valor del hierro es significativamente menor que el de los metales básicos. [22] Es un negocio altamente intensivo en capital y requiere una inversión significativa en infraestructura, como el ferrocarril, para transportar el mineral desde la mina hasta un barco de carga. [22] Por estas razones, la producción de mineral de hierro está concentrada en manos de unos pocos actores importantes.
La producción mundial promedia 2.000.000.000 t (2,0 × 10 9 toneladas largas; 2,2 × 10 9 toneladas cortas) de mineral en bruto anualmente. El mayor productor mundial de mineral de hierro es la corporación minera brasileña Vale , seguida por las empresas australianas Rio Tinto Group y BHP . Otro proveedor australiano, Fortescue Metals Group Ltd, ha ayudado a que la producción de Australia sea la primera del mundo.
El comercio marítimo de mineral de hierro, es decir, mineral de hierro para ser enviado a otros países, fue de 849.000.000 t (836.000.000 de toneladas largas; 936.000.000 de toneladas cortas) en 2004. [22] Australia y Brasil dominan el comercio marítimo, con el 72% del mercado. [22] BHP, Rio y Vale controlan el 66% de este mercado entre ellos. [22]
En Australia , el mineral de hierro se obtiene de tres fuentes principales: mineral de pisolita " depósito de hierro en canal " derivado por erosión mecánica de formaciones primarias de hierro bandeado y acumulado en canales aluviales como en Pannawonica, Australia Occidental ; y los minerales dominantes relacionados con la formación de hierro bandeado alterada metasomáticamente como en Newman , la cordillera Chichester , la cordillera Hamersley y Koolyanobbing , Australia Occidental . Otros tipos de mineral están cobrando protagonismo recientemente, [¿ cuándo? ] como las capas duras ferruginosas oxidadas, por ejemplo, los depósitos de mineral de hierro laterítico cerca del lago Argyle en Australia Occidental.
Las reservas recuperables totales de mineral de hierro en la India son de aproximadamente 9.602.000.000 t (9,450 × 10 9 toneladas largas; 1,0584 × 10 10 toneladas cortas) de hematita y 3.408.000.000 t (3,354 × 10 9 toneladas largas; 3,757 × 10 9 toneladas cortas) de magnetita . [23] Chhattisgarh , Madhya Pradesh , Karnataka , Jharkhand , Odisha , Goa , Maharashtra , Andhra Pradesh , Kerala , Rajastán y Tamil Nadu son los principales productores indios de mineral de hierro. El consumo mundial de mineral de hierro crece un 10% anual [ cita requerida ] en promedio, y los principales consumidores son China, Japón, Corea, Estados Unidos y la Unión Europea.
China es actualmente el mayor consumidor de mineral de hierro, lo que se traduce en ser el mayor país productor de acero del mundo. También es el mayor importador, comprando el 52% del comercio marítimo de mineral de hierro en 2004. [22] A China le siguen Japón y Corea, que consumen una cantidad significativa de mineral de hierro en bruto y carbón metalúrgico . En 2006, China produjo 588.000.000 t (579.000.000 toneladas largas; 648.000.000 toneladas cortas) de mineral de hierro, con un crecimiento anual del 38%.
En los últimos 40 años, los precios del mineral de hierro se han decidido en negociaciones a puerta cerrada entre el pequeño puñado de mineros y fabricantes de acero que dominan los mercados al contado y contractuales. Hasta 2006, los precios se determinaban en negociaciones de referencia anuales entre los principales productores de mineral de hierro ( BHP Billiton , Rio Tinto y Vale SA ) e importadores japoneses. [26] : 31 En 2006, la empresa china Baosteel comenzó a manejar las negociaciones para el lado importador. [26] : 31 El gobierno chino reemplazó a Baosteel con la Asociación del Hierro y el Acero de China como negociador principal en 2009. [26] : 109 Tradicionalmente, el primer acuerdo alcanzado entre estos principales productores y los principales importadores establece un punto de referencia a seguir por el resto de la industria. [3]
La Bolsa Mercantil de Singapur (SMX) ha lanzado el primer contrato de futuros de mineral de hierro global del mundo, basado en el Índice de Mineral de Hierro del Boletín de Metales (MBIOI), que utiliza datos de precios diarios de un amplio espectro de participantes de la industria y la amplia base de contactos de productores de acero y comerciantes de mineral de hierro en China de la consultora y proveedora de datos de acero china independiente Shanghai Steelhome. [27] El contrato de futuros ha registrado volúmenes mensuales de más de 1.500.000 t (1.500.000 toneladas largas; 1.700.000 toneladas cortas) después de ocho meses de negociación. [28]
Esta medida sigue a un cambio a un sistema de precios trimestrales basado en índices por parte de las tres mayores mineras de hierro del mundo —Vale , Rio Tinto y BHP— a principios de 2010, rompiendo una tradición de 40 años de fijación de precios anuales de referencia. [29]
El hierro es el elemento más abundante en la Tierra, pero no en la corteza. [30] No se conoce la extensión de las reservas accesibles de mineral de hierro, aunque Lester Brown , del Worldwatch Institute, sugirió en 2006 que el mineral de hierro podría agotarse en 64 años (es decir, en 2070), basándose en un crecimiento del 2% en la demanda por año. [31]
Geoscience Australia calcula que los " recursos económicos demostrados " de hierro del país ascienden actualmente a 24 gigatoneladas , o 24.000.000.000 t (2,4 × 10 10 toneladas largas; 2,6 × 10 10 toneladas cortas). [ cita requerida ] Otra estimación sitúa las reservas de mineral de hierro de Australia en 52.000.000.000 t (5,1 × 10 10 toneladas largas; 5,7 × 10 10 toneladas cortas), o el 30% de las 170.000.000.000 t estimadas del mundo (1,7 × 10 11 toneladas largas; 1,9 × 10 11 toneladas cortas), de las cuales Australia Occidental representa 28.000.000.000 t (2,8 × 10 10 toneladas largas; 3,1 × 10 10 toneladas cortas). [32] La tasa de producción actual de la región de Pilbara en Australia Occidental es de aproximadamente 844.000.000 t (831.000.000 de toneladas largas; 930.000.000 de toneladas cortas) por año y está aumentando. [33] Gavin Mudd ( Universidad RMIT ) y Jonathon Law ( CSIRO ) esperan que desaparezca en 30-50 años y 56 años, respectivamente. [34] Estas estimaciones de 2010 requieren una revisión continua para tener en cuenta la cambiante demanda de mineral de hierro de menor calidad y la mejora de las técnicas de extracción y recuperación (que permiten una extracción más profunda por debajo del nivel freático).
Brasil es el segundo mayor productor de mineral de hierro después de Australia, y representa el 16% de la producción mundial de mineral de hierro. Después de un volumen de producción algo lento entre 2010 y 2020, en parte debido al desastre de la presa de Mariana en 2015 y al desastre de la presa de Brumadinho en 2019, que detuvo la producción en las dos minas involucradas, la producción ha aumentado de manera constante desde 2021, cuando Brasil produjo 431.000.000 t (424.000.000 de toneladas largas; 475.000.000 de toneladas cortas). En 2022 aumentó a 435.000.000 t (428.000.000 toneladas largas; 480.000.000 toneladas cortas) y en 2023 a 440.000.000 t (430.000.000 toneladas largas; 490.000.000 toneladas cortas). [35]
Se espera que la producción brasileña aumente a una CAGR del 2% entre 2023 y 2027, [36] y el analista de la industria Fitch Solutions pronosticó en 2021 que la producción anual de Brasil alcanzará 592.000.000 t (583.000.000 de toneladas largas; 653.000.000 de toneladas cortas) para 2030. [37]
Según el Informe de 2021 del Servicio Geológico de Estados Unidos sobre mineral de hierro, [38] se estima que India producirá 59.000.000 t (58.000.000 de toneladas largas; 65.000.000 de toneladas cortas) de mineral de hierro en 2020, lo que la coloca como el séptimo centro mundial de producción de mineral de hierro, detrás de Australia, Brasil, China, Rusia, Sudáfrica y Ucrania.
La producción de mineral de hierro de la India en 2023 fue de 285.000.000 de toneladas métricas y fue el cuarto mayor productor del mundo. [39]
Según el Informe de 2021 del Servicio Geológico de Estados Unidos sobre el mineral de hierro, [38] se estima que Ucrania produjo 62.000.000 t (61.000.000 de toneladas largas; 68.000.000 de toneladas cortas) de mineral de hierro en 2020, lo que la sitúa como el séptimo centro mundial de producción de mineral de hierro, detrás de Australia, Brasil, China, India, Rusia y Sudáfrica. Los productores de mineral de hierro en Ucrania incluyen Ferrexpo , Metinvest y ArcelorMittal Kryvyi Rih .
En 2014, las minas de Estados Unidos produjeron 57.500.000 t (56.600.000 toneladas largas; 63.400.000 toneladas cortas) de mineral de hierro con un valor estimado de 5.100 millones de dólares. [40] Se estima que la minería de hierro en Estados Unidos representó el 2% de la producción mundial de mineral de hierro. En Estados Unidos hay doce minas de mineral de hierro, nueve de ellas a cielo abierto y tres de recuperación. También había diez plantas de peletización, nueve plantas de concentración, dos plantas de hierro reducido directamente (DRI) y una planta de pepitas de hierro que estaban en funcionamiento en 2014. [40] En Estados Unidos, la mayoría de la minería de mineral de hierro se encuentra en las cordilleras de hierro alrededor del Lago Superior . Estas áreas de explotación de hierro se encuentran en Minnesota y Michigan, que en conjunto representaron el 93% del mineral de hierro utilizable producido en los Estados Unidos en 2014. Siete de las nueve minas a cielo abierto operativas en los Estados Unidos se encuentran en Minnesota, así como dos de las tres operaciones de recuperación de relaves. Las otras dos minas a cielo abierto activas estaban ubicadas en Michigan . En 2016, una de las dos minas cerró. [40] También ha habido minas de mineral de hierro en Utah y Alabama ; sin embargo, la última mina de mineral de hierro en Utah cerró en 2014 [40] y la última mina de mineral de hierro en Alabama cerró en 1975. [41]
En 2017, las minas de hierro canadienses produjeron 49.000.000 t (48.000.000 toneladas largas; 54.000.000 toneladas cortas) de mineral de hierro en pellets concentrados y 13,6 millones de toneladas de acero crudo. De las 13.600.000 t (13.400.000 toneladas largas; 15.000.000 toneladas cortas) de acero, se exportaron 7.000.000 t (6.900.000 toneladas largas; 7.700.000 toneladas cortas), y se exportaron 43.100.000 t (42.400.000 toneladas largas; 47.500.000 toneladas cortas) de mineral de hierro por un valor de 4.600 millones de dólares. Del mineral de hierro exportado, el 38,5% del volumen fueron pellets de mineral de hierro con un valor de 2.300 millones de dólares, y el 61,5% fueron concentrados de mineral de hierro con un valor de 2.300 millones de dólares. [42] El 46% del mineral de hierro de Canadá proviene de la mina de Iron Ore Company of Canada , en Labrador City , Terranova , con fuentes secundarias que incluyen la mina Mary River en Nunavut . [42] [43]
Los minerales de hierro están compuestos por átomos de oxígeno y hierro unidos entre sí para formar moléculas. Para convertirlo en hierro metálico, debe fundirse o someterse a un proceso de reducción directa para eliminar el oxígeno. Los enlaces oxígeno-hierro son fuertes y, para eliminar el hierro del oxígeno, debe presentarse un enlace elemental más fuerte para unirse al oxígeno. Se utiliza carbono porque la fuerza de un enlace carbono-oxígeno es mayor que la del enlace hierro-oxígeno a altas temperaturas. Por lo tanto, el mineral de hierro debe pulverizarse y mezclarse con coque para quemarse en el proceso de fundición.
El monóxido de carbono es el ingrediente principal de la extracción química del oxígeno del hierro. Por lo tanto, la fundición de hierro y carbono debe mantenerse en un estado deficiente en oxígeno (reductor) para promover la combustión del carbono y producir CO y no CO
2.
La inclusión de cantidades incluso pequeñas de algunos elementos puede tener efectos profundos en las características de comportamiento de un lote de hierro o en el funcionamiento de una fundición. Estos efectos pueden ser tanto buenos como malos, algunos catastróficamente malos. Algunos productos químicos se añaden deliberadamente, como el fundente, que hace que un alto horno sea más eficiente. Otros se añaden porque hacen que el hierro sea más fluido, más duro o le confieren alguna otra cualidad deseable. La elección del mineral, el combustible y el fundente determina cómo se comporta la escoria y las características operativas del hierro producido. Idealmente, el mineral de hierro contiene solo hierro y oxígeno. En la realidad, esto rara vez sucede. Por lo general, el mineral de hierro contiene una gran cantidad de elementos que a menudo son indeseables en el acero moderno.
Sílice ( SiO
2) está casi siempre presente en el mineral de hierro. La mayor parte se desprende durante el proceso de fundición. A temperaturas superiores a 1300 °C (2370 °F), una parte se reducirá y formará una aleación con el hierro. Cuanto más caliente esté el horno, más silicio habrá presente en el hierro. No es raro encontrar hasta un 1,5 % de Si en el hierro fundido europeo de los siglos XVI al XVIII.
El principal efecto del silicio es promover la formación de hierro gris. El hierro gris es menos frágil y más fácil de acabar que el hierro blanco. Por esta razón, se prefiere para la fundición. El metalúrgico británico Thomas Turner informó que el silicio también reduce la contracción y la formación de orificios, lo que reduce la cantidad de piezas fundidas defectuosas. Sin embargo, una cantidad excesiva de silicio presente en el hierro aumenta la fragilidad y modera la dureza. [44]
El fósforo (P) tiene cuatro efectos principales sobre el hierro: mayor dureza y resistencia, menor solidez , mayor fluidez y fragilidad en frío. Según el uso que se le dé al hierro, estos efectos son buenos o malos. El mineral de turbera suele tener un alto contenido de fósforo. [45]
La resistencia y dureza del hierro aumentan con la concentración de fósforo. Un 0,05 % de fósforo en el hierro forjado lo hace tan duro como el acero con un contenido medio de carbono. El hierro con un alto contenido de fósforo también se puede endurecer mediante martillado en frío. El efecto de endurecimiento es válido para cualquier concentración de fósforo. Cuanto más fósforo contenga, más duro se vuelve el hierro y más se puede endurecer mediante martillado. Los fabricantes de acero modernos pueden aumentar la dureza hasta en un 30 %, sin sacrificar la resistencia a los golpes, manteniendo los niveles de fósforo entre el 0,07 y el 0,12 %. También aumenta la profundidad del endurecimiento debido al temple, pero al mismo tiempo también disminuye la solubilidad del carbono en el hierro a altas temperaturas. Esto reduciría su utilidad en la fabricación de acero blíster (cementación), donde la velocidad y la cantidad de absorción de carbono son la consideración primordial.
La adición de fósforo tiene un inconveniente. En concentraciones superiores al 0,2%, el hierro se vuelve cada vez más frágil en frío o quebradizo a bajas temperaturas. El hierro en barras es especialmente importante. Aunque el hierro en barras se trabaja normalmente en caliente, sus usos [ ejemplo necesario ] a menudo requieren que sea duro, flexible y resistente a los golpes a temperatura ambiente. Un clavo que se rompe al ser golpeado con un martillo o una rueda de carro que se rompe al chocar contra una roca no se venderían bien. [ cita requerida ] Concentraciones suficientemente altas de fósforo hacen que cualquier pieza de hierro sea inutilizable. [46] Los efectos de la escasez de frío se magnifican con la temperatura. Así, una pieza de hierro que es perfectamente útil en verano puede volverse extremadamente frágil en invierno. Hay alguna evidencia de que durante la Edad Media los muy ricos pueden haber tenido una espada con alto contenido de fósforo para el verano y una espada con bajo contenido de fósforo para el invierno. [46]
Un control cuidadoso del fósforo puede ser de gran beneficio en las operaciones de fundición. El fósforo deprime el líquido, lo que permite que el hierro permanezca fundido durante más tiempo y aumenta la fluidez. La adición de un 1% puede duplicar la distancia que fluirá el hierro fundido. [46] El efecto máximo, alrededor de 500 °C (932 °F), se logra con una concentración del 10,2%. [47] Para el trabajo de fundición, Turner [48] consideró que el hierro ideal tenía entre un 0,2 y un 0,55% de fósforo. El hierro resultante llenaba los moldes con menos huecos y también se encogía menos. En el siglo XIX, algunos productores de hierro fundido decorativo utilizaban hierro con hasta un 5% de fósforo. La extrema fluidez les permitía hacer piezas fundidas muy complejas y delicadas, pero no podían soportar peso, ya que no tenían resistencia. [49]
Existen dos remedios [ ¿según quién? ] para el hierro con alto contenido de fósforo. El más antiguo, más fácil y más barato es evitarlo. Si el hierro que produce el mineral escasea en frío, se buscaría una nueva fuente de mineral de hierro. El segundo método implica oxidar el fósforo durante el proceso de clarificación añadiendo óxido de hierro. Esta técnica suele asociarse con el pudling en el siglo XIX y es posible que no se comprendiera antes. Por ejemplo, Isaac Zane, propietario de Marlboro Iron Works, no parecía saber nada de ella en 1772. Dada la reputación de Zane [ ¿según quién? ] de mantenerse al día de los últimos avances, la técnica probablemente era desconocida para los maestros siderúrgicos de Virginia y Pensilvania .
El fósforo se considera generalmente un contaminante perjudicial porque vuelve quebradizo el acero, incluso en concentraciones de tan solo el 0,6 %. Cuando el proceso Gilchrist-Thomas permitió la eliminación de grandes cantidades del elemento del hierro fundido en la década de 1870, fue un avance importante porque la mayoría de los minerales de hierro extraídos en Europa continental en ese momento contenían fósforo. Sin embargo, eliminar todo el contaminante mediante fundente o fundición es complicado, por lo que los minerales de hierro deseables generalmente deben tener un bajo contenido de fósforo para empezar.
En muchos minerales, como el mineral de hierro, la arena y algunas calizas, se encuentran pequeñas cantidades de aluminio (Al). El primero se puede eliminar lavando el mineral antes de fundirlo. Hasta la introducción de los hornos revestidos con ladrillos, la cantidad de contaminación por aluminio era lo suficientemente pequeña como para no afectar ni al hierro ni a la escoria. Sin embargo, cuando se empezó a utilizar ladrillos para los hogares y el interior de los altos hornos, la cantidad de contaminación por aluminio aumentó drásticamente. Esto se debió a la erosión del revestimiento del horno por la escoria líquida.
El aluminio es difícil de reducir, por lo que la contaminación del hierro con aluminio no es un problema. Sin embargo, sí aumenta la viscosidad de la escoria. [50] [51] Esto tendrá una serie de efectos adversos en el funcionamiento del horno. La escoria más espesa ralentizará el descenso de la carga, prolongando el proceso. Un alto contenido de aluminio también dificultará la extracción de la escoria líquida, lo que, en casos extremos, podría provocar la congelación del horno.
Existen varias soluciones para la escoria con alto contenido de aluminio. La primera es evitarla: no utilizar mineral ni una fuente de cal con un alto contenido de aluminio. Aumentar la proporción de fundente de cal reducirá la viscosidad. [51]
El azufre (S) es un contaminante frecuente en el carbón. También está presente en pequeñas cantidades en muchos minerales, pero se puede eliminar mediante calcinación . El azufre se disuelve fácilmente tanto en hierro líquido como sólido a las temperaturas presentes en la fundición del hierro. Los efectos de incluso pequeñas cantidades de azufre son inmediatos y graves. Fueron uno de los primeros en ser descubiertos por los fabricantes de hierro. El azufre hace que el hierro se ponga rojo o caliente. [52]
El hierro corto caliente es quebradizo cuando está caliente. Este era un problema grave, ya que la mayoría del hierro utilizado durante los siglos XVII y XVIII era hierro en barra o forjado. El hierro forjado se moldea mediante golpes repetidos con un martillo mientras está caliente. Un trozo de hierro corto caliente se agrietará si se trabaja con un martillo. Cuando un trozo de hierro o acero caliente se agrieta, la superficie expuesta se oxida inmediatamente. Esta capa de óxido impide que la grieta se repare mediante soldadura. Las grietas grandes hacen que el hierro o el acero se rompan. Las grietas más pequeñas pueden hacer que el objeto falle durante el uso. El grado de fragilidad en caliente es directamente proporcional a la cantidad de azufre presente. Hoy en día, se evita el hierro con más del 0,03 % de azufre.
El hierro corto caliente se puede trabajar, pero debe trabajarse a bajas temperaturas. Trabajar a temperaturas más bajas requiere un mayor esfuerzo físico por parte del herrero o del forjador. El metal debe golpearse con más frecuencia y más fuerza para lograr el mismo resultado. Una barra ligeramente contaminada con azufre se puede trabajar, pero requiere mucho más tiempo y esfuerzo.
En el hierro fundido, el azufre promueve la formación de hierro blanco. Tan sólo un 0,5% puede contrarrestar los efectos del enfriamiento lento y un alto contenido de silicio. [53] El hierro fundido blanco es más frágil, pero también más duro. Generalmente se evita, porque es difícil de trabajar, excepto en China, donde el hierro fundido con alto contenido de azufre, a veces hasta un 0,57%, hecho con carbón y coque, se utilizó para hacer campanas y carillones. [54] Según Turner (1900, pág. 200), el buen hierro de fundición debe tener menos de un 0,15% de azufre. En el resto del mundo, un hierro fundido con alto contenido de azufre se puede utilizar para hacer piezas fundidas, pero dará como resultado un hierro forjado de mala calidad.
Existen varios remedios para la contaminación por azufre. El primero, y el más utilizado en las operaciones históricas y prehistóricas, es la evitación. El carbón no se utilizaba en Europa (a diferencia de China) como combustible para la fundición porque contiene azufre y, por lo tanto, provoca la formación de hierro corto caliente. Si un mineral daba como resultado metal corto caliente, los fabricantes de hierro buscaban otro mineral. Cuando el carbón mineral se utilizó por primera vez en los altos hornos europeos en 1709 (o quizás antes), se coquizaba . Recién con la introducción del alto horno caliente a partir de 1829 se empezó a utilizar carbón crudo.
El azufre se puede eliminar de los minerales mediante tostación y lavado. La tostación oxida el azufre para formar dióxido de azufre (SO 2 ), que se escapa a la atmósfera o se puede lavar. En climas cálidos, es posible dejar el mineral pirítico bajo la lluvia. La acción combinada de la lluvia, las bacterias y el calor oxida los sulfuros a ácido sulfúrico y sulfatos , que son solubles en agua y se lixivian. [55] Sin embargo, históricamente (al menos), el sulfuro de hierro ( pirita de hierro FeS
2), aunque es un mineral de hierro común, no se ha utilizado como mena para la producción de hierro metálico. En Suecia también se utilizó la meteorización natural. El mismo proceso, a velocidad geológica, da lugar a los minerales de limonita de gossan .
La importancia que se le da al hierro con bajo contenido de azufre se demuestra por los precios consistentemente más altos que se pagaron por el hierro en Suecia, Rusia y España entre los siglos XVI y XVIII. Hoy en día, el azufre ya no es un problema. El remedio moderno es la adición de manganeso , pero el operador debe saber cuánto azufre hay en el hierro porque se debe agregar al menos cinco veces más manganeso para neutralizarlo. Algunos hierros históricos muestran niveles de manganeso, pero la mayoría están muy por debajo del nivel necesario para neutralizar el azufre. [53]
La inclusión de sulfuro como sulfuro de manganeso (MnS) también puede ser la causa de graves problemas de corrosión por picaduras en acero inoxidable de baja calidad como el acero AISI 304. [56] [57] En condiciones oxidantes y en presencia de humedad, cuando el sulfuro se oxida, produce aniones tiosulfato como especies intermedias, y debido a que el anión tiosulfato tiene una electromovilidad equivalente más alta que el anión cloruro debido a su doble carga eléctrica negativa, promueve el crecimiento de picaduras. [58] De hecho, las cargas eléctricas positivas nacidas de los cationes Fe2 + liberados en solución por la oxidación de Fe en la zona anódica dentro de la picadura deben ser rápidamente compensadas/neutralizadas por cargas negativas traídas por la migración electrocinética de aniones en la picadura capilar. Algunos de los procesos electroquímicos que ocurren en una picadura capilar son los mismos que los encontrados en la electroforesis capilar . Cuanto mayor sea la tasa de migración electrocinética de aniones, mayor será la tasa de corrosión por picaduras. El transporte electrocinético de iones dentro del pozo puede ser el paso limitante en la tasa de crecimiento del pozo.
