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Los minerales de hierro [1] son rocas y minerales de los que se puede extraer económicamente hierro metálico . Los minerales suelen ser ricos en óxidos de hierro y su color varía desde gris oscuro, amarillo brillante o violeta intenso hasta rojo oxidado. El hierro suele encontrarse en forma de magnetita ( Fe
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4, 72,4% Fe), hematita ( Fe
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3, 69,9% Fe), goetita ( 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 elevadas de hematita o magnetita, normalmente más de aproximadamente un 60% de hierro, se conocen como mineral natural o mineral de envío directo y pueden introducirse directamente en 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 como aleaciones de hierro y níquel procedentes de meteoritos y formas muy raras de xenolitos del manto profundo . Se cree que algunos meteoritos de hierro se originaron a partir de cuerpos acrecionados de 1.000 km (620 millas) de diámetro o más [4] . El origen del hierro se puede rastrear en última instancia hasta la formación a través de la fusión nuclear en estrellas, y se cree que la mayor parte del hierro tiene Se originó en estrellas moribundas que son lo suficientemente grandes como para colapsar o explotar como supernovas . [5] Aunque el hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre , con un 5% aproximadamente, la gran mayoría está unido a minerales de silicato o, más raramente, a carbonatos . Las barreras termodinámicas para separar el hierro puro de estos minerales son formidables y consumen mucha 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 .
Antes de la revolución industrial, la mayor parte del hierro se obtenía de goethita o mineral de pantano ampliamente disponible , por ejemplo, durante la Revolución Americana y las Guerras Napoleónicas . Las sociedades prehistóricas utilizaban laterita como fuente de mineral de hierro. 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 ley en los Estados Unidos, llevó después de la Segunda Guerra Mundial al desarrollo de fuentes de mineral de hierro de menor ley, principalmente la utilización de magnetita y taconita .
Los métodos de extracción de mineral de hierro varían según el tipo de mineral que se extrae. Actualmente se explotan cuatro tipos principales de depósitos de mineral de hierro, según la mineralogía y geología de los depósitos de mineral. Se trata de depósitos de magnetita, titanomagnetita , hematita masiva y piedra de hierro pisolítica .
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Las formaciones de hierro en bandas (BIF) son rocas sedimentarias que contienen más del 15% de hierro compuestas predominantemente de minerales de hierro en capas finas y sílice (como cuarzo ). Las formaciones de hierro en bandas ocurren exclusivamente en rocas precámbricas y comúnmente están metamorfoseadas de débil a intensamente . Las formaciones de hierro en bandas pueden contener hierro en carbonatos ( siderita o ankerita ) o silicatos ( minnesotaita , 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 en bandas 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 interbarda conocido localmente como mullock) y minerales no deseados, que son una parte intrínseca de la propia roca mineral ( ganga ). El salmonete se extrae y se apila en vertederos , y la ganga se separa durante el proceso de beneficio y se retira como relave . 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, la ley del hierro dentro de la roca huésped de la formación de hierro en bandas y los elementos contaminantes que existen dentro del concentrado de magnetita. El tamaño y la proporción de franjas de la mayoría de los recursos de magnetita son irrelevantes, ya que una formación de bandas de hierro puede tener cientos de metros de espesor, extenderse cientos de kilómetros a lo largo del rumbo y fácilmente puede llegar a más de tres mil millones o más de toneladas de mineral contenido.
La calidad típica de hierro en la que una formación de bandas de hierro con magnetita se vuelve económica es de aproximadamente un 25% de hierro, lo que generalmente puede producir una recuperación de magnetita de un 33% a un 40% en peso, para producir un concentrado con una ley superior al 64% de hierro. peso. El concentrado típico de mineral de hierro magnetita tiene menos del 0,1% de fósforo , entre el 3% y el 7% de sílice y menos del 3% de aluminio .
Actualmente 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] Actualmente, la formación de bandas de hierro que contiene magnetita se extrae ampliamente en Brasil , que exporta cantidades significativas a Asia , y existe una gran y naciente industria de mineral de hierro de magnetita en Australia .
Los depósitos de mineral de hierro de envío directo (DSO) (típicamente compuestos de hematita ) se explotan actualmente en todos los continentes excepto en 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 en bandas alteradas y rara vez de acumulaciones ígneas.
Los depósitos de DSO suelen ser más raros que los 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 DSO pueden contener concentraciones significativamente más altas de elementos penalizadores, siendo típicamente más altos en fósforo, contenido de agua (especialmente acumulaciones sedimentarias de pisolita ) y aluminio ( arcillas dentro de las pisolitas). Los minerales DSO de calidad de exportación generalmente se encuentran en el rango de 62 a 64% de Fe. [8]
En ocasiones se utilizaban granito y rocas ígneas ultrapotásicas para segregar cristales de magnetita y formar masas de magnetita adecuadas para una concentración económica. [9] Algunos depósitos de mineral de hierro, especialmente en Chile , se forman a partir de flujos volcánicos que contienen importantes acumulaciones de fenocristales de magnetita . [10] Los depósitos chilenos de mineral de hierro de magnetita dentro del desierto de Atacama también han formado acumulaciones aluviales de magnetita en arroyos que salen de estas formaciones volcánicas.
Algunos depósitos hidrotermales y skarn de magnetita se han explotado en el pasado como depósitos de mineral de hierro de alta ley que requieren poco beneficio . Hay varios depósitos de esta naturaleza asociados a granito en Malasia e Indonesia .
Otras fuentes de mineral de hierro magnetita incluyen acumulaciones metamórficas de mineral masivo de magnetita, como las del río Savage , Tasmania , formadas por corte de ofiolitas ultramáficas .
Otra fuente menor de minerales de hierro son las acumulaciones magmáticas en intrusiones estratificadas que contienen una magnetita típicamente que contiene titanio , a menudo con vanadio . Estos minerales forman un nicho de mercado, con fundiciones especializadas que se utilizan para recuperar hierro, titanio y vanadio. Estos minerales se benefician esencialmente de manera similar a los minerales de formación de hierro en bandas, pero generalmente se mejoran más fácilmente mediante trituración y cribado . El concentrado de titanomagnetita típico tiene grados de 57 % Fe, 12 % Ti y 0,5 % V.
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5. [ cita necesaria ]
Por cada tonelada de concentrado de mineral de hierro producida, se descargarán aproximadamente entre 2,5 y 3,0 toneladas de relaves de mineral de hierro. Las estadísticas muestran que cada año se vierten 130 millones de toneladas de mineral de hierro. Si, por ejemplo, los relaves de la mina contienen un promedio de aproximadamente 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 pueden usarse para materiales de construcción de carreteras como pavimento y relleno y materiales de construcción como cemento, vidrio de baja calidad, y materiales de las paredes. [11] [13] [14] Si bien los relaves son un mineral de ley relativamente baja, su recolección también es económica, ya que no es necesario extraerlos. Debido a esto, empresas como Magnetation han iniciado proyectos de recuperación donde 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 magnetizada y la reducción directa. La tostación magnetizada 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 magnetizada es importante tener una atmósfera reductora para evitar la oxidación y la formación de Fe 2 O 3 porque es más difícil de separar al ser 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 esponjoso (Fe) que se utilizará en 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 el tostado magnetizado. [11] [16] [17]
Las fuentes de mineral de hierro de menor ley generalmente requieren 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 impurezas. El resultado, polvos de mineral fino de alta calidad, se conoce 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 alta calidad con niveles muy bajos de impurezas.
El tamaño de grano de la magnetita y su grado de mezcla con la masa molida de sílice 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 aportes de energía necesarios para ejecutar una operación de molienda.
La minería de formaciones de hierro en bandas implica trituración y cribado grueso, seguido de trituración gruesa y molienda fina para triturar el mineral hasta el punto en que la magnetita cristalizada y el cuarzo sean lo suficientemente finos como para que el cuarzo quede cuando el polvo resultante pase por debajo de un separador magnético. .
Generalmente, la mayoría de los depósitos de formación de hierro con bandas de magnetita deben triturarse 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 superan el 70 % de hierro en peso y generalmente 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 , el beneficio de hematita suele implicar una combinación de técnicas de beneficio.
Un método consiste 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 se calibra adecuadamente, la hematita se hundirá y los fragmentos de minerales de silicato flotarán y podrán eliminarse. [18]
El hierro es el metal más utilizado en el mundo: el acero, del cual el mineral de hierro es el ingrediente clave y representa casi el 95% de todo el metal utilizado al 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 mineras comerciales de calidad mineral están dominadas por los países enumerados en la tabla al lado. La principal limitación económica para los depósitos de mineral de hierro no es necesariamente la ley o el tamaño de los depósitos, porque no es particularmente difícil demostrar geológicamente que existe un tonelaje suficiente de rocas. La principal limitación es la posición del mineral de hierro en relación con el mercado, el coste de la infraestructura ferroviaria para llevarlo al mercado y el coste energético necesario 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] Requiere una gran inversión de capital y 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 se concentra 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 al año. 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 contribuido a que la producción de Australia sea la primera del mundo.
El comercio marítimo de mineral de hierro (es decir, mineral de hierro destinado a otros países) fue de 849 t (836 toneladas largas; 936 toneladas cortas) en 2004. [22] Australia y Brasil dominan el comercio marítimo, con el 72% del total. mercado. [22] BHP, Rio y Vale controlan entre ellas el 66% de este mercado. [22]
En Australia , el mineral de hierro se obtiene de tres fuentes principales: mineral de pisolita, " depósito de hierro en canal ", derivado de la erosión mecánica de formaciones primarias de hierro en bandas y acumulado en canales aluviales como en Pannawonica, Australia Occidental ; y los minerales dominantes relacionados con la formación de bandas de hierro alteradas metasomáticamente , como en Newman , Chichester Range , Hamersley Range y Koolyanobbing , Australia Occidental . Otros tipos de minerales están pasando a primer plano recientemente, [ ¿cuándo? ] como capas duras ferruginosas oxidadas, por ejemplo, depósitos de mineral de hierro de laterita cerca del lago Argyle en Australia Occidental.
Las reservas recuperables totales de mineral de hierro en la India son aproximadamente 9.602 t (9.450 toneladas largas; 10.584 toneladas cortas) de hematita y 3.408 t (3.354 toneladas largas; 3.757 toneladas cortas) de magnetita . [23] Chhattisgarh , Madhya Pradesh , Karnataka , Jharkhand , Odisha , Goa , Maharashtra , Andhra Pradesh , Kerala , Rajasthan y Tamil Nadu son los principales productores indios de mineral de hierro. El consumo mundial de mineral de hierro crece un 10% anual [ cita necesaria ] en promedio, siendo los principales consumidores 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: compró el 52 por ciento 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 toneladas (579 toneladas largas; 648 toneladas cortas) de mineral de hierro, con un crecimiento anual del 38%.
Durante los últimos 40 años, los precios del mineral de hierro se han decidido en negociaciones a puerta cerrada entre un pequeño puñado de mineros y siderúrgicos que dominan tanto el mercado spot como el de contratos. Tradicionalmente, el primer acuerdo alcanzado entre estos dos grupos establece un punto de referencia a seguir por el resto de la industria. [3]
Sin embargo, en los últimos años, este sistema de referencia ha comenzado a desmoronarse, y los participantes tanto en las cadenas de demanda como de suministro exigen un cambio hacia la fijación de precios a corto plazo. Dado que la mayoría de los demás productos básicos ya cuentan con un sistema de precios maduro basado en el mercado, es natural que el mineral de hierro haga lo mismo. Para responder a las crecientes demandas del mercado de precios más transparentes, varias bolsas financieras y/o cámaras de compensación de todo el mundo han ofrecido compensación de swaps de mineral de hierro. El grupo CME, SGX (Singapore Exchange), London Clearing House (LCH.Clearnet), NOS Group e ICEX (Indian Commodities Exchange) ofrecen swaps compensados basados en los datos de transacciones de mineral de hierro de The Steel Index (TSI). La CME también ofrece un swap basado en Platts, además de su compensación de swaps TSI. El ICE (Intercontinental Exchange) también ofrece un servicio de compensación de swaps basado en Platts. El mercado de swaps ha crecido rápidamente y la liquidez se concentra en torno a los precios de TSI. [26] Hasta abril de 2011, se habían liquidado más de 5.500 millones de dólares en swaps de mineral de hierro sobre la base de los precios de la TSI. En agosto de 2012, se negociaban periódicamente más de un millón de toneladas de swaps al día, según la ETI.
Un acontecimiento relativamente nuevo también ha sido la introducción de opciones de mineral de hierro, además de swaps. El grupo CME ha sido el lugar más utilizado para la compensación de opciones emitidas contra TSI, con un interés abierto de más de 12.000 lotes en agosto de 2012.
La Bolsa Mercantil de Singapur (SMX) ha lanzado el primer contrato mundial de futuros de mineral de hierro, basado en el Índice de Mineral de Hierro del Metal Bulletin (MBIOI), que utiliza datos de precios diarios de un amplio espectro de participantes de la industria y de la consultora y proveedor de datos de acero chino independiente Shanghai Steelhome. amplia base de contactos de productores de acero y comerciantes de mineral de hierro en toda China. [27] El contrato de futuros ha registrado volúmenes mensuales superiores a 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 precios trimestrales basados en índices por parte de las tres mayores mineras de mineral de hierro del mundo ( Vale , Rio Tinto y BHP ) a principios de 2010, rompiendo una tradición de 40 años de precios anuales de referencia. [29]
El hierro es el elemento más abundante en la tierra pero no en la corteza. [30] Se desconoce el alcance de las reservas de mineral de hierro accesibles, 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. 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 necesaria ] 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 por ciento de las 170.000.000.000 t estimadas en el 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) al año y sigue aumentando. [33] Gavin Mudd ( Universidad RMIT ) y Jonathon Law ( CSIRO ) esperan que desaparezca dentro de 30 a 50 años y 56 años, respectivamente. [34] Estas estimaciones de 2010 requieren una revisión continua para tener en cuenta la demanda cambiante de mineral de hierro de menor ley y la mejora de las técnicas de extracción y recuperación (permitiendo una extracción más profunda debajo del nivel freático).
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. [35] Se estima que la minería de hierro en los Estados Unidos representó el 2% de la producción mundial de mineral de hierro. En los Estados Unidos hay doce minas de mineral de hierro, nueve de las cuales son minas a cielo abierto y tres son operaciones de recuperación. También había diez plantas de peletización, nueve plantas de concentración, dos plantas de hierro de reducción directa (DRI) y una planta de pepitas de hierro que estaban en funcionamiento en 2014. [35] En los Estados Unidos, la mayor parte de la extracción de mineral de hierro se realiza en los rangos de hierro alrededor El lago superior . Estas áreas 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 operativas a cielo abierto en los Estados Unidos están ubicadas 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. [35] 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 [35] y la última mina de mineral de hierro en Alabama cerró en 1975. [36]
En 2017, las minas canadienses de mineral de hierro produjeron 49.000.000 t (48.000.000 de toneladas largas; 54.000.000 de toneladas cortas) de mineral de hierro en pellets concentrados y 13,6 millones de toneladas de acero bruto. 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 43.100.000 t (42.400.000 toneladas largas; 47.500.000 toneladas cortas). toneladas) de mineral de hierro se exportó 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 por un valor de 2.300 millones de dólares y el 61,5% fueron concentrados de mineral de hierro por un valor de 2.300 millones de dólares. [37] El cuarenta y seis por ciento del mineral de hierro de Canadá proviene de la mina Iron Ore Company of Canada , en Labrador City , Terranova , con fuentes secundarias que incluyen la mina Mary River , Nunavut . [37] [38]
Brasil es el segundo mayor productor de mineral de hierro, siendo Australia el mayor. En 2015, Brasil exportó 397.000.000 t (391.000.000 toneladas largas; 438.000.000 toneladas cortas) de toneladas de mineral de hierro utilizable. [35] En diciembre de 2017 Brasil exportó 346.497 t (341.025 toneladas largas; 381.948 toneladas cortas) de mineral de hierro y de diciembre de 2007 a mayo de 2018 exportó un promedio mensual de 139.299 t (137.099 toneladas largas; 153.551 toneladas cortas). [39]
Según el informe de 2021 del Servicio Geológico de EE. UU. sobre mineral de hierro, [40] 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 (2019: 63.000.000 t (62.000.000 de toneladas largas; 69.000.000 de toneladas cortas) toneladas )), ubicándolo 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 .
Según el informe de 2021 del Servicio Geológico de EE. UU. sobre mineral de hierro, [40] 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 (2019: 52.000.000 t (51.000.000 de toneladas largas; 57.000.000 de toneladas cortas) ) ), colocándolo como el séptimo centro mundial de producción de mineral de hierro, detrás de Australia, Brasil, China, Rusia, Sudáfrica y Ucrania.
Los minerales de hierro consisten en átomos de oxígeno y hierro unidos entre sí formando moléculas. Para convertirlo en hierro metálico se debe fundir o enviar a través de un proceso de reducción directa para eliminar el oxígeno. Los enlaces oxígeno-hierro son fuertes y, para eliminar el hierro del oxígeno, se debe presentar un enlace elemental más fuerte para unirse al oxígeno. Se utiliza carbono porque la fuerza del enlace carbono-oxígeno es mayor que la del enlace hierro-oxígeno, a altas temperaturas. Así, el mineral de hierro debe pulverizarse y mezclarse con coque , para ser quemado en el proceso de fundición.
El monóxido de carbono es el ingrediente principal para eliminar químicamente el oxígeno del hierro. Por lo tanto, la fundición de hierro y carbono debe mantenerse en un estado deficiente en oxígeno (reductor) para promover la quema de carbono y producir CO , 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 dan alguna otra cualidad deseable. La elección del mineral, el combustible y el fundente determinan cómo se comporta la escoria y las características operativas del hierro producido. Lo ideal es que el mineral de hierro contenga sólo hierro y oxígeno. En realidad, este rara vez es el caso. Normalmente, el mineral de hierro contiene una serie de elementos que a menudo no son deseados en el acero moderno.
Sílice ( SiO
2) casi siempre está presente en el mineral de hierro. La mayor parte se elimina durante el proceso de fundición. A temperaturas superiores a 1300 °C (2370 °F), parte se reducirá y formará una aleación con el hierro. Cuanto más caliente esté el horno, más silicio habrá 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 quebradizo y más fácil de terminar que el hierro blanco. Por este motivo, se prefiere para fines de fundición. Turner (1900, págs. 192-197) informó que el silicio también reduce la contracción y la formación de espiráculos, lo que reduce el número de piezas fundidas defectuosas.
El fósforo (P) tiene cuatro efectos principales sobre el hierro: mayor dureza y resistencia, menor temperatura sólida, mayor fluidez y falta de frío. Dependiendo del uso que se le dé al hierro, estos efectos son buenos o malos. El mineral de pantano suele tener un alto contenido de fósforo. [41]
La fuerza y dureza del hierro aumenta con la concentración de fósforo. El 0,05% de fósforo en el hierro forjado lo hace tan duro como el acero con contenido medio de carbono. El hierro con alto contenido de fósforo también se puede endurecer martillando en frío. El efecto endurecedor es válido para cualquier concentración de fósforo. Cuanto más fósforo, más duro se vuelve el hierro y más se puede endurecer martillando. 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 0,07 y 0,12%. También aumenta la profundidad del endurecimiento debido al enfriamiento, pero al mismo tiempo también disminuye la solubilidad del carbono en el hierro a altas temperaturas. Esto disminuiría su utilidad en la fabricación de acero ampolla (cementación), donde la velocidad y la cantidad de absorción de carbono es la consideración primordial.
La adición de fósforo tiene un lado negativo. En concentraciones superiores al 0,2%, el hierro se vuelve cada vez más corto en frío o quebradizo a bajas temperaturas. El corte en frío es especialmente importante para las barras de hierro. Aunque las barras de hierro generalmente se trabajan en caliente, sus usos [ se necesita ejemplo ] a menudo requieren que sean resistentes, flexibles y resistentes a los golpes a temperatura ambiente. Un clavo que se rompía al golpearlo con un martillo o una rueda de carro que se rompía al golpear una roca no se vendería bien. [ cita necesaria ] Concentraciones suficientemente altas de fósforo inutilizan el hierro. [42] Los efectos de la falta de frío se ven magnificados por la temperatura. Así, una pieza de hierro que funciona perfectamente en verano, puede volverse extremadamente quebradiza en invierno. Hay alguna evidencia de que durante la Edad Media los muy ricos pudieron haber tenido una espada con alto contenido de fósforo para el verano y una espada con bajo contenido de fósforo para el invierno. [42]
Un control cuidadoso del fósforo puede resultar de gran beneficio en las operaciones de fundición. El fósforo reduce la temperatura del líquido, lo que permite que el hierro permanezca fundido por más tiempo y aumenta la fluidez. La adición del 1% puede duplicar la distancia que fluirá el hierro fundido. [42] El efecto máximo, alrededor de 500 °C (932 °F), se logra con una concentración del 10,2%. [43] Para trabajos de fundición, Turner [44] consideró que el hierro ideal tenía entre 0,2 y 0,55% de fósforo. El hierro resultante llenó los moldes con menos huecos y también se encogió menos. En el siglo XIX, algunos productores de hierro fundido decorativo utilizaban hierro con hasta un 5% de fósforo. La extrema fluidez les permitió realizar piezas fundidas muy complejas y delicadas. Pero no podían soportar peso porque no tenían fuerza. [45]
Hay dos remedios [ ¿ según quién? ] para hierro con alto contenido de fósforo. La más antigua, la más fácil y la más barata es la evitación. Si el hierro que producía el mineral fuera escaso en frío, se buscaría una nueva fuente de mineral de hierro. El segundo método consiste en oxidar el fósforo durante el proceso de clarificación añadiendo óxido de hierro. Esta técnica suele asociarse con el charco en el siglo XIX y es posible que no se haya comprendido antes. Por ejemplo, Isaac Zane, propietario de Marlboro Iron Works, no parecía saberlo en 1772. Dada la reputación de Zane [ ¿según quién? ] para mantenerse al tanto de los últimos avances, la técnica probablemente era desconocida para los maestros del hierro de Virginia y Pensilvania .
Generalmente se considera que el fósforo es un contaminante nocivo porque hace que el acero se vuelva quebradizo, incluso en concentraciones tan pequeñas como 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 eran fósforo. Sin embargo, eliminar todos los contaminantes mediante fundente o fundición es complicado, por lo que, para empezar, los minerales de hierro deseables generalmente deben tener un bajo contenido de fósforo.
Pequeñas cantidades de aluminio (Al) están presentes en muchos minerales, incluidos el mineral de hierro, la arena y algunas piedras calizas. El primero se puede eliminar lavando el mineral antes de la fundición. Hasta la introducción de los hornos revestidos de ladrillo, la cantidad de contaminación por aluminio era lo suficientemente pequeña como para no tener efecto ni sobre el hierro ni sobre la escoria. Sin embargo, cuando el ladrillo comenzó a utilizarse 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. Como resultado, la contaminación del hierro con aluminio no es un problema. Sin embargo, sí aumenta la viscosidad de la escoria. [46] [47] 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 hará que sea más difícil extraer la escoria líquida. En casos extremos, esto podría provocar que el horno se congele.
Existen varias soluciones para un alto contenido de escoria de aluminio. La primera es la evitación; No utilice minerales ni fuentes de cal con un alto contenido de aluminio. Aumentar la proporción de fundente de cal disminuirá la viscosidad. [47]
El azufre (S) es un contaminante frecuente en el carbón. También está presente en pequeñas cantidades en muchos minerales, pero puede eliminarse mediante calcinación . El azufre se disuelve fácilmente en hierro líquido y 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 elaborados por los herreros. El azufre hace que el hierro se ponga rojo o caliente. [48]
El hierro corto caliente es quebradizo cuando está caliente. Este fue un problema grave ya que la mayor parte del hierro utilizado durante los siglos XVII y XVIII era barra o hierro forjado. El hierro forjado se moldea mediante repetidos golpes de martillo mientras está caliente. Un trozo de hierro corto caliente se romperá si se trabaja con un martillo. Cuando una pieza de hierro o acero caliente se agrieta, la superficie expuesta se oxida inmediatamente. Esta capa de óxido impide la reparación de la grieta 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 falta de calor es directamente proporcional a la cantidad de azufre presente. Hoy en día se evita el hierro con más del 0,03% de azufre.
Se puede trabajar con plancha corta caliente, pero hay que trabajarla a bajas temperaturas. Trabajar a temperaturas más bajas requiere un mayor esfuerzo físico por parte del herrero o forjador. El metal debe golpearse con más frecuencia y más fuerza para lograr el mismo resultado. Se puede trabajar con una barra levemente contaminada con azufre, pero requiere mucho más tiempo y esfuerzo.
En el hierro fundido, el azufre favorece la formación de hierro blanco. Tan solo un 0,5% puede contrarrestar los efectos de un enfriamiento lento y un alto contenido de silicio. [49] El hierro fundido blanco es más frágil, pero también más duro. Generalmente se evita porque es difícil de trabajar, excepto en China, donde se utilizaba hierro fundido con alto contenido de azufre, algunos de hasta 0,57%, elaborado con carbón y coque, para fabricar campanas y carillones. [50] Según Turner (1900, págs. 200), un buen hierro de fundición debe tener menos del 0,15% de azufre. En el resto del mundo, se puede utilizar hierro fundido con alto contenido de azufre para fabricar piezas fundidas, pero resultará en un hierro forjado de mala calidad.
Existen varios remedios para la contaminación por azufre. La primera, y la más utilizada en operaciones históricas y prehistóricas, es la evitación. El carbón no se utilizó en Europa (a diferencia de China) como combustible para la fundición porque contiene azufre y, por tanto, provoca el calentamiento del hierro corto. Si un mineral daba como resultado metal corto y caliente, los maestros del hierro buscaban otro mineral. Cuando el carbón mineral se utilizó por primera vez en los altos hornos europeos en 1709 (o quizás antes), estaba coquizado . Sólo con la introducción del soplo caliente a partir de 1829 se empezó a utilizar carbón en bruto.
El azufre se puede eliminar de los minerales tostándolos y lavándolos. La tostación oxida el azufre para formar dióxido de azufre (SO 2 ) que escapa a la atmósfera o puede eliminarse por lavado. En climas cálidos es posible dejar el mineral pirítico bajo la lluvia. La acción combinada de la lluvia, las bacterias y el calor oxidan los sulfuros a ácido sulfúrico y sulfatos , que son solubles en agua y se lixivian. [51] 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 mineral para la producción de hierro metálico. En Suecia también se utilizó la meteorización natural. El mismo proceso, a velocidad geológica, da como resultado los minerales de limonita gossan .
La importancia atribuida al hierro con bajo contenido de azufre queda demostrada por los precios constantemente más altos pagados por el hierro en Suecia, Rusia y España entre los siglos XVI y XVIII. Hoy 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. [49]
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 . [52] [53] 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 mayor que el anión cloruro debido a su doble carga eléctrica negativa, promueve la picadura. crecimiento. [54] De hecho, las cargas eléctricas positivas nacidas de los cationes Fe 2+ liberados en solución por la oxidación del Fe en la zona anódica dentro del pozo deben ser rápidamente compensadas/neutralizadas por cargas negativas generadas por la migración electrocinética de aniones en el pozo capilar. Algunos de los procesos electroquímicos que ocurren en un pozo capilar son los mismos que los encontrados en la electroforesis capilar . Cuanto mayor sea la tasa de migración electrocinética del anión, 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.
