Los minerales de hierro [1] son rocas y minerales de los que se puede extraer económicamente el hierro metálico . 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
3O
4, 72,4% Fe), hematita ( Fe
2O
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 altas de hematita o magnetita (más de aproximadamente 60% de hierro) se conocen como "mineral natural" o "mineral de envío directo", lo que significa que pueden introducirse directamente en altos hornos de fabricación de hierro . El mineral de hierro es la materia prima que se utiliza 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 otra materia prima, excepto quizás el petróleo ". [3]
Fuentes
El hierro metálico es prácticamente desconocido en la superficie de la Tierra, excepto como aleaciones de hierro-níquel de meteoritos y formas muy raras de xenolitos del manto profundo . Se cree que algunos meteoritos de hierro se originaron a partir de cuerpos acumulados de 1.000 km 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 las estrellas y se cree que la mayor parte del hierro 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 , componiendo alrededor del 5%, la gran mayoría está ligado en silicatos o, más raramente, en minerales de carbonato (para más información, consulte el ciclo del hierro ). 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 utilizaron la 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, después de la Segunda Guerra Mundial condujo 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 extraído. Hay cuatro tipos principales de depósitos de mineral de hierro que se trabajan actualmente, dependiendo de la mineralogía y geología de los depósitos de mineral. Se trata de depósitos de magnetita, titanomagnetita , hematita masiva y piedra de hierro pisolítica .
Formaciones de hierro con bandas
Las formaciones de hierro en bandas (BIF, por sus siglas en inglés) son rocas sedimentarias que contienen más del 15% de hierro compuesto predominantemente de minerales de hierro en capas delgadas y sílice (como cuarzo ). Las formaciones de hierro en bandas se producen exclusivamente en rocas precámbricas y, por lo general, se metamorfosean de forma débil a intensa . Las formaciones de hierro en bandas pueden contener hierro en carbonatos ( siderita o ankerita ) o silicatos ( minnesotaita , greenalita o grunerita ), pero en las que se extraen como minerales de hierro, los óxidos ( magnetita o hematita ) son el principal mineral de hierro. [6] Las formaciones de hierro con bandas se conocen como taconita en América del Norte.
La minería implica mover enormes cantidades de minerales y desechos. Los desechos vienen en dos formas, lecho de roca no mineral en la mina ( sobrecarga o entrecarga 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 retira como relaves . Los relaves de taconita son principalmente cuarzo mineral, que es químicamente inerte. Este material se almacena en estanques de sedimentación de agua grandes y regulados.
Minerales de magnetita
Los parámetros económicos clave para que el mineral de magnetita sea económico son la cristalinidad de la magnetita, el grado del hierro dentro de la roca anfitriona de la formación de hierro en bandas y los elementos contaminantes que existen dentro del concentrado de magnetita. El tamaño y la relación de extracción de la mayoría de los recursos de magnetita es irrelevante, ya que una formación de hierro en bandas puede tener cientos de metros de espesor, extenderse cientos de kilómetros a lo largo del rumbo y puede llegar fácilmente a más de tres mil millones o más de toneladas de mineral contenido.
El grado típico de hierro en el que una formación de hierro en bandas que contiene magnetita se vuelve económica es aproximadamente el 25% de hierro, que generalmente puede producir una recuperación de 33% a 40% de magnetita en peso, para producir un concentrado con una graduación superior al 64% de hierro por peso. El concentrado típico de mineral de hierro de magnetita tiene menos de 0,1% de fósforo , 3 a 7% de sílice y menos de 3% de aluminio .
Actualmente, el mineral de hierro de 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 hierro en bandas que contiene magnetita se extrae extensamente en Brasil , que exporta cantidades significativas a Asia , y hay una industria naciente y grande de mineral de hierro de magnetita en Australia .
Minerales de envío directo (hematita)
Los depósitos de mineral de hierro de envío directo (DSO) (normalmente compuestos de hematita ) se explotan actualmente en todos los continentes excepto en la Antártida , con la 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 raramente de acumulaciones ígneas.
Los depósitos de DSO son típicamente más raros que el BIF que contiene 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 DSO de grado de exportación generalmente están en el rango de 62 a 64% de Fe. [ cita requerida ]
Depósitos de mineral de magnetita magmática
Ocasionalmente, las rocas ígneas de granito y ultrapotásicas segregan los cristales de magnetita y forman masas de magnetita adecuadas para una concentración económica. [8] Algunos depósitos de mineral de hierro, especialmente en Chile , se forman a partir de flujos volcánicos que contienen importantes acumulaciones de fenocristales de magnetita . [9] Los depósitos de mineral de hierro de magnetita chilena dentro del desierto de Atacama también han formado acumulaciones aluviales de magnetita en los arroyos que parten de estas formaciones volcánicas.
Algunos skarn de magnetita y depósitos hidrotermales se han trabajado en el pasado como depósitos de mineral de hierro de alta ley que requieren poco beneficio . Hay varios depósitos asociados con granito de esta naturaleza en Malasia e Indonesia .
Otras fuentes de mineral de hierro de magnetita incluyen acumulaciones metamórficas de mineral de magnetita masiva como en Savage River , Tasmania , formadas por cizallamiento de ultramáficos ofiolíticos .
Otra fuente menor de minerales de hierro son las acumulaciones magmáticas en intrusiones estratificadas que contienen una magnetita típicamente portadora de titanio, a menudo con vanadio . Estos minerales forman un nicho de mercado, con fundiciones especiales que se utilizan para recuperar el hierro, el titanio y el 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 califica 57% Fe, 12% Ti y 0.5% V
2O
5. [ cita requerida ]
Desechos de la minería
Por cada tonelada de concentrado de mineral de hierro producido , se descargarán aproximadamente de 2,5 a 3,0 toneladas de relaves de mineral de hierro . Las estadísticas muestran que cada año se descargan 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. [10] Estos relaves también son ricos en otros metales útiles como cobre , níquel y cobalto , [11] 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. [10] [12] [13] Si bien los relaves son un mineral de ley relativamente baja, también son económicos de recolectar ya que no tienen que ser extraídos. Debido a esto, empresas como Magnetation , Inc., han iniciado proyectos de recuperación en los que utilizan relaves de mineral de hierro como fuente de hierro metálico. [10]
Los dos métodos principales para reciclar el hierro de los relaves de mineral de hierro son el tostado por magnetización y la reducción directa. El tueste magnetizante utiliza temperaturas entre 700 y 900 ° C durante un tiempo de menos de 1 hora para producir un concentrado de hierro (Fe 3 O 4 ) que se utilizará en la fundición de hierro. Para magnetizar el tostado 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. [10] [14] La reducción directa utiliza temperaturas más altas de más de 1000 ° C 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 tueste magnetizante. [10] [15] [16]
Extracción
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 por 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.
Magnetita
La magnetita es magnética y, por lo tanto, se separa fácilmente de los minerales de la 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 de tierra de sílice determinan el tamaño de molienda al que se debe triturar la roca para permitir una separación magnética eficiente que proporcione un concentrado de magnetita de alta pureza. Esto determina las entradas de energía necesarias para ejecutar una operación de fresado.
Minera de formación de hierro bandeado implica grueso de trituración y cribado, seguido de áspera de trituración y molienda fina para triturar el mineral hasta el punto donde la magnetita cristalizado y cuarzo son lo suficientemente fino que el cuarzo es dejado atrás cuando se pasa el polvo resultante bajo un separador magnético .
Generalmente, la mayoría de los depósitos de formación de hierro con bandas de magnetita deben triturarse entre 32 y 45 micrómetros 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 son bajos en fósforo, bajos en aluminio, bajos en titanio y bajos en sílice y exigen un precio superior.
Hematites
Debido a la alta densidad de hematites en relación con la ganga de silicato asociada , el beneficio de hematites generalmente implica una combinación de técnicas de beneficio.
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 lechada esté debidamente calibrada, la hematita se hundirá y los fragmentos de silicato mineral flotarán y podrán eliminarse. [17]
Producción y consumo
País | Producción |
---|---|
Australia | 817 |
Brasil | 397 |
porcelana | 375 * |
India | 156 |
Rusia | 101 |
Sudáfrica | 73 |
Ucrania | 67 |
Estados Unidos | 46 |
Canadá | 46 |
Iran | 27 |
Suecia | 25 |
Kazajstán | 21 |
Otros paises | 132 |
Mundo total | 2.280 |
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 por 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 grado mineral están dominadas por los países enumerados en la siguiente tabla. 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 probar geológicamente que existe suficiente tonelaje 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 alto volumen y bajo margen, ya que el valor del hierro es significativamente más bajo que el de los metales básicos. [21] Es muy intensivo en capital y requiere una inversión significativa en infraestructura como el ferrocarril para transportar el mineral de la mina a un barco de carga. [21] Por estas razones, la producción de mineral de hierro se concentra en manos de unos pocos actores importantes.
La producción mundial promedia dos mil millones de toneladas métricas de mineral bruto al año. El mayor productor mundial de mineral de hierro es la corporación minera brasileña Vale , seguida de las empresas anglo-australianas Rio Tinto Group y luego 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 que se enviará a otros países, fue de 849 millones de toneladas en 2004. [21] Australia y Brasil dominan el comercio marítimo, con el 72% del mercado. [21] BHP, Rio y Vale controlan el 66% de este mercado entre ellos. [21]
En Australia, el mineral de hierro se obtiene de tres fuentes principales: mineral de " depósito de hierro de canal " de pisolita derivado de la erosión mecánica de formaciones de hierro con bandas primarias y acumulado en canales aluviales como en Pannawonica, Australia Occidental ; y las menas dominantes relacionadas con la formación de hierro en bandas alteradas metasomáticamente , como en Newman , la cordillera de Chichester , la cordillera de Hamersley y Koolyanobbing , Australia Occidental . Otros tipos de mineral están saliendo a la luz recientemente, como las capas duras ferruginosas oxidadas, por ejemplo , los 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 millones de toneladas de hematita y 3.408 millones de toneladas de magnetita . [22] 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 requerida ] 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 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. [21] 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 millones de toneladas de mineral de hierro, con un crecimiento anual del 38%.
Mercado de mineral de hierro
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 los mercados spot como los contractuales. Tradicionalmente, el primer acuerdo alcanzado entre estos dos grupos establece un punto de referencia a seguir por el resto de la industria. [3]
En los últimos años, sin embargo, este sistema de referencia ha comenzado a fallar, y los participantes a lo largo de las cadenas de oferta y demanda pidieron un cambio a la fijación de precios a corto plazo. Dado que la mayoría de los demás productos básicos ya tienen un sistema de precios maduro basado en el mercado, es natural que el mineral de hierro siga su ejemplo. Para responder a las crecientes demandas del mercado de precios más transparentes, una serie de intercambios financieros y / o cámaras de compensación de todo el mundo han ofrecido compensación de canjes 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 swap TSI. El ICE (Intercontinental Exchange) también ofrece un servicio de compensación de swap basado en Platts. El mercado de swaps ha crecido rápidamente, con liquidez agrupada en torno a los precios de TSI. [23] En abril de 2011, se habían liquidado sobre la base de los precios de la ETI más de 5 500 millones de dólares EE.UU. en swaps de mineral de hierro. En agosto de 2012, se negociaban regularmente más de un millón de toneladas de swaps por día, según TSI básico.
Un avance relativamente nuevo también ha sido la introducción de opciones de mineral de hierro, además de los canjes. El grupo CME ha sido el lugar más utilizado para la compensación de opciones emitidas contra TSI, con un interés abierto en más de 12,000 lotes en agosto de 2012.
Singapore Mercantile Exchange (SMX) ha lanzado el primer contrato mundial de futuros de mineral de hierro, basado en el Metal Bulletin Iron Ore Index (MBIOI) que utiliza datos de precios diarios de un amplio espectro de participantes de la industria y del proveedor de datos y consultoría de acero chino independiente Shanghai Steelhome's amplia base de contactos de productores de acero y comerciantes de mineral de hierro en China. [24] El contrato de futuros ha registrado volúmenes mensuales superiores a 1,5 millones de toneladas después de ocho meses de negociación. [25]
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. [26]
Abundancia por país
Recursos mundiales de mineral de hierro disponibles
El hierro es el elemento más abundante en la tierra pero no en la corteza. [27] Se desconoce el alcance 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, para 2070), basado en un crecimiento del 2% en la demanda por año. [28]
Australia
Geoscience Australia calcula que los " recursos económicos demostrados " de hierro del país ascienden actualmente a 24 gigatoneladas , o 24 mil millones de toneladas. [ cita requerida ] La tasa de producción actual de la región de Pilbara en Australia Occidental es de aproximadamente 430 millones de toneladas al año y sigue aumentando. Gavin Mudd ( RMIT University ) y Jonathon Law ( CSIRO ) esperan que desaparezca en 30-50 años y 56 años, respectivamente. [29] 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 (lo que permite una extracción más profunda por debajo del nivel freático).
Depósito de Pilbara
En 2011, las principales mineras de mineral de hierro con sede en Pilbara —Rio Tinto, BHP y Fortescue Metals Group (FMG) — anunciaron una importante inversión de capital en el desarrollo de minas nuevas y existentes e infraestructura asociada (ferroviaria y portuaria). En conjunto, esto equivaldría a la producción de 1,000 millones de toneladas por año (Mt / a) para 2020. Prácticamente eso requeriría duplicar la capacidad de producción de un actual [ ¿cuándo? ] nivel de producción de 470 Mt / a 1.000 Mt / a (un aumento de 530 Mt / a). Estas cifras se basan en el actual [ ¿cuándo? ] Tasas de producción de Rio 300 Mt / a, BHP 240 Mt / a, FMG 55 Mt / ay Otros 15 Mt / a aumentando a Rio 360 Mt / a, BHP 356 Mt / a, FMG 155 Mt / ay Otros 140 Mt / a (los últimos 140 Mt / a se basan en la producción planificada de los recientes [ ¿cuándo? ] entrantes de la industria Hancock, Atlas y Brockman a través de Port Hedland y API y otros a través del propuesto Puerto de Anketell ). En marzo de 2014, Fortescue inauguró oficialmente su proyecto Kings Valley de 40 millones de toneladas por año (mtpa), lo que marca la finalización de una expansión de 9.200 millones de dólares que aumentó su capacidad de producción a 155 mtpa. La expansión incluyó la construcción del nuevo Solomon Hub en Hamersley Ranges, uno de los desarrollos de mineral de hierro más grandes del mundo que comprende Kings Valley y la cercana mina Firetail de 20 mtpa; una expansión de la mina Christmas Creek a 50 mtpa; y grandes extensiones de las instalaciones ferroviarias y portuarias de clase mundial de Fortescue.
Una tasa de producción de 1,000 Mt / a requeriría un aumento significativo en la producción de las minas existentes y la apertura de un número significativo de nuevas minas. Además, también sería necesario un aumento significativo de la capacidad de la infraestructura ferroviaria y portuaria. Por ejemplo, se requeriría que Río expandiera sus operaciones portuarias en Dampier y Cape Lambert en 140 Mt / a (de 220 Mt / a 360 Mt / a). Se requeriría que BHP expandiera sus operaciones portuarias de Port Hedland en 180 Mt / a (de 180 Mt / a 360 Mt / a). FMG tendría que ampliar sus operaciones portuarias en Port Hedland en 100 Mt / a (de 55 Mt / a 155 Mt / a). Eso es un aumento de 420 Mt / a en la capacidad portuaria de las tres principales Rio, BHP y FMG y alrededor de al menos 110 Mt / a de los productores no principales. Con base en la regla empírica de 50 Mt / a por volquete, recuperador y cargador de barcos, la nueva producción requeriría aproximadamente diez volquetes, recuperadores y cargadores de barcos nuevos. [30]
También se requeriría nueva capacidad ferroviaria. Según la regla empírica de 100 Mt / a por línea ferroviaria, aumentar la producción en aproximadamente 500 Mt / a requeriría cinco nuevas líneas ferroviarias simples. Un escenario es una línea ferroviaria adicional para todas las principales: BHP (de doble a triple vía), Rio (de doble a triple vía), FMG (de una a dos vías) y al menos dos nuevas líneas. Hancock Prospecting ha recientemente [ ¿cuándo? ] inició la producción desde su mina de mineral de hierro Roy Hill ubicada al norte de Newman. Este proyecto incluyó el desarrollo del depósito Roy Hill, la construcción de una vía férrea de 344 km y una instalación portuaria con un rendimiento anual de 55 Mt y QR National para atender a los productores no principales, a diciembre de 2015 debido a la caída del precio del mineral de hierro. estos planes se han suspendido indefinidamente. [31] [32]
Los proponentes y el gobierno deben considerar más a fondo una tasa de producción de 1.000 Mt / a. Las áreas de mayor consideración incluyen el nuevo espacio portuario en Anketell para dar servicio a las minas de West Pilbara, el crecimiento en Port Hedland (BHP ha anunciado el desarrollo de un puerto exterior en Port Hedland), la racionalización ferroviaria y los requisitos de aprobación reglamentaria para abrir y mantener una perturbación del suelo. huella que sustenta 1000 Mt / a de producción, incluidos, entre otros, títulos nativos, patrimonio aborigen y resultados de protección ambiental.
Estados Unidos
En 2014, las minas en los Estados Unidos produjeron 57,5 millones de toneladas métricas de mineral de hierro con un valor estimado de $ 5,1 mil millones. [33] Se estima que la extracción 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. [33] En los Estados Unidos, la mayor parte de la extracción de mineral de hierro se encuentra en los rangos de hierro alrededor Lago Superior . Estos rangos 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 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. [33] 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 [33] y la última mina de mineral de hierro en Alabama cerró en 1975. [34]
Canadá
En 2017, las minas canadienses de mineral de hierro produjeron 49 millones de toneladas de mineral de hierro en gránulos concentrados y 13,6 millones de toneladas de acero crudo. De los 13,6 millones de toneladas de acero se exportaron 7 millones y se exportaron 43,1 millones de toneladas de mineral de hierro por un valor de $ 4,6 mil millones. Del mineral de hierro exportado, el 38,5% del volumen fue pélets de mineral de hierro con un valor de $ 2,3 mil millones y el 61,5% fueron concentrados de mineral de hierro con un valor de $ 2,3 mil millones. [35] La mayor parte del mineral de hierro de Canadá proviene de la mina Mary River , Nunavut y de Schefferville , Quebec . [35]
Brasil
Brasil es el segundo mayor productor de mineral de hierro, siendo Australia el mayor. En 2015 Brasil exportó 397 millones de toneladas de mineral de hierro utilizable. [33] En diciembre de 2017 Brasil exportó 346,497 toneladas métricas de mineral de hierro y de diciembre de 2007 a mayo de 2018 exportó un promedio mensual de 139,299 toneladas métricas. [36]
Fundición
Los minerales de hierro consisten en átomos de oxígeno y hierro unidos en moléculas. Para convertirlo en hierro metálico debe fundirse o enviarse 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. El carbono se utiliza 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 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 de deficiencia de oxígeno (reductor) para promover la quema de carbono para producir CO, no CO.
2.
- Chorro de aire y carbón vegetal (coque): 2 C + O 2 → 2 CO
- El monóxido de carbono (CO) es el principal agente reductor.
- Etapa uno: 3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2
- Etapa dos: Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2
- Etapa tres: FeO + CO → Fe + CO 2
- Calcinación de piedra caliza: CaCO 3 → CaO + CO 2
- Cal que actúa como fundente: CaO + SiO 2 → CaSiO 3
Oligoelementos
La inclusión de incluso pequeñas cantidades 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 buenos y malos, algunos catastróficamente malos. Algunos productos químicos se agregan deliberadamente, como el fundente, que hace que un alto horno sea más eficiente. Otros se agregan 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. Idealmente, el mineral de hierro contiene solo 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.
Silicio
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), algunos se reducirán y formarán 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. Se prefiere para fines de fundición por este motivo. Turner (1900 , págs. 192-197) informó que el silicio también reduce la contracción y la formación de orificios, disminuyendo el número de fundiciones defectuosas.
Fósforo
El fósforo (P) tiene cuatro efectos principales sobre el hierro: mayor dureza y resistencia, menor temperatura del sólido, mayor fluidez y falta de frío. Dependiendo del uso que se le dé a la plancha, estos efectos son buenos o malos. El mineral de la ciénaga a menudo tiene un alto contenido de fósforo ( Gordon 1996 , p. 57).
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 al carbono medio. El hierro con 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, 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 de 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 blister (cementación), donde la velocidad y la cantidad de absorción de carbono es la consideración primordial.
La adición de fósforo tiene un lado negativo. A concentraciones superiores al 0,2%, el hierro se vuelve cada vez más frío, corto o quebradizo a bajas temperaturas. El short frío es especialmente importante para las barras de hierro. Aunque la barra de hierro generalmente se trabaja en caliente, sus usos [ ejemplo necesario ] a menudo requieren que sea resistente, flexible y resistente a los golpes a temperatura ambiente. Un clavo que se rompe cuando se golpea con un martillo o una rueda de carro que se rompe al golpear una roca no se venderá bien. [ cita requerida ] Concentraciones suficientemente altas de fósforo inutilizan el hierro ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 22). Los efectos de la falta de frío aumentan con la temperatura. Por lo tanto, una pieza de hierro que se pueda utilizar perfectamente en verano puede volverse extremadamente frágil en invierno. Existe 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 ( Rostoker y Bronson 1990 , p. 22).
El control cuidadoso del fósforo puede ser de gran beneficio en las operaciones de fundición. El fósforo deprime la temperatura del líquido, lo que permite que el hierro permanezca fundido durante más tiempo y aumenta la fluidez. La adición del 1% puede duplicar la distancia a la que fluirá el hierro fundido ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 22). El efecto máximo, alrededor de 500 ° C, se logra a una concentración del 10,2% ( Rostocker & Bronson 1990 , p. 194)¿quién? ] consideró que el hierro ideal tenía 0,2-0,55% de fósforo. El hierro resultante llenó los moldes con menos huecos y también se encogió menos. En el siglo XIX, algunos productores de fundición decorativa utilizaban hierro con hasta un 5% de fósforo. La extrema fluidez les permitió realizar vaciados muy complejos y delicados. Pero no podían soportar peso, ya que no tenían fuerza ( Turner 1900 , págs. 202-204).
. Para el trabajo de fundición Turner [Hay dos remedios [¿ según quién? ] para hierro con alto contenido de fósforo. El más antiguo, el más fácil y el más barato es la evasión. Si el hierro que producía el mineral era 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 mediante la adición de óxido de hierro. Esta técnica generalmente se asocia con el encharcamiento en el siglo XIX y es posible que no se haya entendido antes. Por ejemplo, Isaac Zane, el propietario de Marlboro Iron Works, no parecía saberlo en 1772. Dada la reputación de Zane [¿ según quién? ] para mantenerse al tanto de los últimos desarrollos, la técnica probablemente era desconocida para los maestros del hierro de Virginia y Pensilvania .
El fósforo es un contaminante nocivo porque hace que el acero se vuelva quebradizo, incluso en concentraciones tan pequeñas como el 0,6%. El fósforo no se puede eliminar fácilmente mediante fundente o fundición, por lo que los minerales de hierro generalmente deben tener un bajo contenido de fósforo para empezar.
Aluminio
Pequeñas cantidades de aluminio (Al) están presentes en muchos minerales, incluidos el mineral de hierro, la arena y algunas calizas. El primero se puede eliminar lavando el mineral antes de la fundición. Hasta la introducción de los hornos revestidos de ladrillos, la cantidad de contaminación de aluminio era lo suficientemente pequeña como para no tener efecto ni en el hierro ni en la escoria. Sin embargo, cuando el ladrillo comenzó a usarse para hogares y el interior de altos hornos, la cantidad de contaminación por aluminio aumentó dramáticamente. 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 por aluminio no es un problema. Sin embargo, aumenta la viscosidad de la escoria ( Kato & Minowa 1969 , p. 37
y Rosenqvist 1983 , pág. 311). 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. El alto contenido de aluminio también dificultará la extracción de la escoria líquida. En el extremo, esto podría conducir a un horno congelado.Hay una serie de soluciones para una escoria con alto contenido de aluminio. El primero es la evitación; no utilice minerales o una fuente de cal con un alto contenido de aluminio. El aumento de la proporción de flujo de cal disminuirá la viscosidad ( Rosenqvist 1983 , p. 311).
Azufre
El azufre (S) es un contaminante frecuente en el carbón. También está presente en pequeñas cantidades en muchos minerales, pero puede eliminarse calcinando . El azufre se disuelve fácilmente en hierro líquido y sólido a las temperaturas presentes en la fundición de hierro. Los efectos de incluso pequeñas cantidades de azufre son inmediatos y graves. Fueron uno de los primeros elaborados por los fabricantes de hierro. El azufre hace que el hierro se enrojezca o sea escaso ( Gordon 1996 , p. 7).
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 hierro en barra o forjado. El hierro forjado se moldea mediante golpes repetidos con un martillo en caliente. Un trozo de hierro corto caliente se agrietará 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 evita la reparación de la fisura 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. Actualmente se evita el hierro con más de 0,03% de azufre.
Se puede trabajar la plancha corta caliente, pero hay que trabajarla a bajas temperaturas. Trabajar a temperaturas más bajas requiere más esfuerzo físico por parte del herrero o forjador. El metal debe golpearse con más frecuencia y con más fuerza para lograr el mismo resultado. Se puede trabajar una barra ligeramente contaminada con azufre, pero requiere mucho más tiempo y esfuerzo.
En hierro fundido, el azufre favorece la formación de hierro blanco. Tan solo el 0,5% puede contrarrestar los efectos del enfriamiento lento y un alto contenido de silicio ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 21). El hierro fundido blanco es más quebradizo, pero también más duro. Por lo general, se evita porque es difícil de trabajar, excepto en China, donde se usó hierro fundido con alto contenido de azufre, algunos tan altos como 0.57%, hecho con carbón y coque, para hacer campanas y campanas ( Rostoker, Bronson & Dvorak 1984 , p. 760). Según Turner (1900 , pág. 200), un buen hierro de fundición debería tener menos de 0,15% de azufre. En el resto del mundo, se puede utilizar un hierro fundido con alto contenido de azufre para hacer piezas fundidas, pero producirá un hierro forjado pobre.
Existen varios remedios para la contaminación por azufre. El primero, y el más utilizado 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 lo tanto, produce hierro corto caliente. Si un mineral resultaba en un 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), se coquificó . Solo con la introducción de la explosión en caliente a partir de 1829 se utilizó carbón crudo.
El azufre se puede eliminar de los minerales tostando y lavando. El tostado 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 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 ( Turner 1900 , pág. 77). 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. La meteorización natural también se utilizó en Suecia. El mismo proceso, a velocidad geológica, da como resultado los minerales de limonita gossan .
La importancia otorgada al hierro con bajo contenido de azufre se demuestra por los precios consistentemente más altos pagados por el hierro en Suecia, Rusia y España desde los siglos XVI al 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 ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 21).
La inclusión de sulfuro como sulfuro de manganeso (MnS) también puede ser la causa de graves problemas de corrosión por picaduras en el acero inoxidable de baja calidad , como el acero AISI 304 . [37] [38] 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 la fosa. crecimiento. [39] De hecho, las cargas eléctricas positivas nacidas por los cationes Fe 2+ liberados en solución por 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 se encuentran en la electroforesis capilar . Cuanto mayor es la tasa de migración electrocinética de aniones, mayor es 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.
Ver también
- Hierro de pantano
- Mineral de hierro en África
- Ironstone
Notas
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enlaces externos
- Historia del comercio de mineral de hierro en los Grandes Lagos
- "Pioneros del comercio del hierro de Cleveland" por JS Jeans 1875
- Precio del mineral de hierro y gráfico histórico
- Minas de hierro de NY / NJ
- Capacidad de mineral de hierro por principal productor mundial