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mineral de hierro

Hematita , el principal mineral de hierro que se encuentra en las minas brasileñas. Las reservas de pellets de mineral de hierro como esta se utilizan en la producción de acero ...

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Hematita , el principal mineral de hierro que se encuentra en las minas brasileñas.
Las reservas de pellets de mineral de hierro como esta se utilizan en la producción de acero .
Ilustración de la descarga de mineral de hierro en los muelles de Toledo, Ohio.

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 púrpura intenso hasta rojo óxido. El hierro se encuentra generalmente en forma de magnetita ( Fe3 O4 , 72,4% Fe),hematita(Fe2 O3 , 69,9% Fe),goetita(FeO(OH), 62,9% Fe),limonita(FeO(OH)·n(H2O), 55% Fe) osiderita(FeCO3, 48,2% Fe).

Los minerales que contienen cantidades muy altas de hematita o magnetita (normalmente más del 60 % de hierro) se conocen como mineral natural o mineral de envío directo , y pueden introducirse directamente en los altos hornos de producción 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, quien afirmó que el mineral de hierro es "más fundamental para la economía global que cualquier otra materia prima, excepto quizás el petróleo ". [ 3 ]

Fuentes

El hierro elemental está prácticamente ausente en la superficie terrestre , excepto como aleaciones de hierro-níquel provenientes de meteoritos y formas esporádicas de xenolitos del manto profundo . Aunque el hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre , constituyendo aproximadamente el 5% en peso, [ 4 ] 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 usaban laterita como fuente de mineral de hierro. [ 5 ] Antes de la revolución industrial, la mayor parte del hierro se obtenía de goetita o mineral de pantano ampliamente disponible , por ejemplo, durante la Revolución Americana 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 conocen comúnmente como "minerales de envío directo" o "minerales naturales". El aumento de la 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 el uso 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 yacimientos de mineral de hierro, dependiendo de su mineralogía y geología. Estos son los yacimientos de magnetita, titanomagnetita , hematita y hierro pisolítico . [ 2 ]

El origen del hierro se remonta a su formación mediante fusión nuclear en las estrellas. Se cree que la mayor parte del hierro se originó en estrellas moribundas lo suficientemente grandes como para explotar como supernovas . [ 6 ] 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 (600 millas) de diámetro o más. [ 7 ]  

formaciones de hierro bandeado

Roca de hierro bandeado, con una antigüedad estimada de 2.100 millones de años.
Pellets de taconita procesada con oxidación superficial rojiza utilizados en la fabricación de acero, con una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense ( 24 mm [0,94 pulgadas] de diámetro) mostrada a escala.   

Las formaciones de hierro bandeado (BIF, por sus siglas en inglés) son rocas sedimentarias que contienen más del 15 % de hierro, compuestas predominantemente por minerales de hierro y sílice (como cuarzo ) en capas delgadas . Las formaciones de hierro bandeado se encuentran exclusivamente en rocas precámbricas y suelen estar metamorfizadas de forma débil a intensa . Pueden contener hierro en carbonatos ( siderita o ankerita ) o silicatos ( minnesotaíta , greenalita o grunerita ), pero en las que se extraen como menas de hierro, los óxidos ( magnetita o hematita ) son el principal mineral de hierro. [ 8 ] En Norteamérica, las formaciones de hierro bandeado se conocen como taconita .

La minería implica el movimiento de enormes cantidades de mineral y desechos. Los desechos se presentan en dos formas: roca madre no mineralizada en la mina ( sobrecarga o intercarga, conocida localmente como mullock) y minerales no deseados, que son parte intrínseca de la roca mineralizada ( ganga ). El mullock se extrae y se apila en depósitos de desechos , y la ganga se separa durante el proceso de beneficio y se retira como relaves . Los relaves de taconita son principalmente cuarzo , un mineral químicamente inerte. Este material se almacena en grandes estanques de sedimentación de agua regulados.

Minerales de magnetita

Los parámetros clave para la rentabilidad económica del mineral de magnetita son la cristalinidad de la magnetita, la ley del hierro presente en la roca huésped de la formación de hierro bandeado y los elementos contaminantes presentes en el concentrado de magnetita. El tamaño y la relación de desmonte de la mayoría de los yacimientos 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 contener fácilmente más de tres mil millones de toneladas de mineral.

El grado típico de hierro en el que una formación de hierro bandeado con magnetita se vuelve económicamente viable es de aproximadamente un 25 % de hierro, lo que generalmente permite una recuperación de magnetita del 33 % al 40 % en peso, para producir un concentrado con un grado superior al 64 % de hierro en peso. El concentrado típico de mineral de hierro con magnetita tiene menos del 0,1 % de fósforo , entre un 3 % y un 7 % de sílice y menos del 3 % de aluminio .

A partir de 2019, 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 . [ 9 ] La formación de hierro bandeado con magnetita se extrae extensamente en Brasil a partir de 2019, que exporta cantidades significativas a Asia , y existe una industria de mineral de hierro de magnetita incipiente y grande en Australia . [ 10 ] [ 11 ]

Minerales de envío directo (hematita)

Los yacimientos de mineral de hierro de extracción directa (DSO, por sus siglas en inglés), compuestos típicamente de hematita , se explotan actualmente en todos los continentes excepto en la Antártida , con la mayor intensidad en Sudamérica , Australia y Asia. La mayoría de los grandes yacimientos de mineral de hierro de hematita provienen de formaciones de hierro bandeado alteradas y (en raras ocasiones) de acumulaciones ígneas.

Los depósitos de DSO suelen ser más raros que las formaciones de hierro bandeado (BIF) con magnetita u otras rocas que constituyen su fuente primaria o roca protolítica, pero su extracción y procesamiento son considerablemente más económicos, ya que requieren menor beneficio debido a su mayor contenido de hierro. Sin embargo, los minerales de DSO pueden contener concentraciones significativamente más altas de elementos de penalización, generalmente con mayor contenido de fósforo, agua (especialmente en acumulaciones sedimentarias de pisolitas ) y aluminio ( arcillas dentro de las pisolitas). Los minerales de DSO de grado de exportación suelen tener un contenido de Fe de entre el 62 % y el 64 %. [ 12 ]

Yacimientos de mineral de magnetita magmática

En ocasiones, se utilizaron granito y rocas ígneas ultrapotásicas para separar cristales de magnetita y formar masas de magnetita aptas para la concentración económica. [ 13 ] Algunos yacimientos de mineral de hierro, especialmente en Chile , se forman a partir de flujos volcánicos que contienen importantes acumulaciones de fenocristales de magnetita . [ 14 ]

relaves mineros

Por cada tonelada de concentrado de mineral de hierro producido, se descargan aproximadamente 2,5 a 3,0 toneladas de relaves  de mineral de hierro. Las estadísticas muestran que se descargan 130 millones de toneladas de relaves de mineral de hierro cada año. 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 anualmente. [ 15 ] Estos relaves también son ricos en otros metales útiles como cobre , níquel y cobalto , [ 16 ] 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 pared. [ 15 ] [ 17 ] [ 18 ] Si bien los relaves son un mineral de ley relativamente baja, también son económicos de recolectar, 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. [ 15 ]

Los dos métodos principales para reciclar hierro a partir de relaves de mineral de hierro son la tostación magnetizante y la reducción directa. La tostación magnetizante utiliza temperaturas entre 700 y 900 °C (1300 y 1700 ° F) durante menos de una hora para producir un concentrado de hierro (Fe₃O₄ ) que se utiliza para la fundición de hierro. Para la tostación magnetizante, es importante contar con una atmósfera reductora para prevenir la oxidación y la formación de Fe₂O₃ , ya que es más difícil de separar debido a su menor magnetismo. [ 15 ] [ 19 ] La reducción directa utiliza temperaturas más altas , superiores a 1000 °C (1800 °F) , y tiempos más prolongados, de 2 a 5 horas. La reducción directa se utiliza para producir hierro esponja (Fe) que se utiliza para la fabricación de acero. La reducción directa requiere más energía, ya que las temperaturas son más altas y el tiempo es más prolongado, y requiere más agente reductor que la tostación magnetizante. [ 15 ] [ 20 ] [ 21 ]    

Extracción

Los yacimientos de mineral de hierro de menor ley generalmente requieren un proceso de beneficio , que incluye técnicas como trituración, molienda , separación por gravedad o medios densos , cribado y flotación por espuma de sílice para mejorar la concentración del mineral y eliminar las impurezas. El resultado, un polvo fino de mineral de alta calidad, se conoce como finos.

Magnetita

La magnetita es magnética y, por lo tanto, se separa fácilmente de los minerales de ganga , lo que permite obtener 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 matriz de sílice determinan el tamaño de molienda necesario para lograr una separación magnética eficiente y obtener un concentrado de magnetita de alta pureza. Esto, a su vez, determina la energía requerida para el proceso de molienda.

La extracción de formaciones de hierro bandeado implica una trituración y cribado gruesos, seguidos de una trituración gruesa y una molienda fina para pulverizar 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 debajo de un separador magnético.

En general, la mayoría de los depósitos de magnetita con bandas de hierro deben molerse hasta alcanzar un tamaño de partícula de entre 32 y 45 μm (0,0013 y 0,0018 pulgadas) para obtener un concentrado de magnetita con bajo contenido de sílice. Los concentrados de magnetita suelen contener más del 70 % de hierro en peso y generalmente presentan bajos niveles de fósforo, aluminio, titanio y sílice, por lo que alcanzan un precio elevado.  

Hematites

Debido a la alta densidad de la hematita en relación con la ganga de silicato asociada , el beneficio de la hematita generalmente implica una combinación de técnicas. Un método consiste en hacer pasar el mineral finamente triturado sobre una suspensión que contiene magnetita u otro agente como ferrosilicio , lo que aumenta su densidad. Cuando la densidad de la suspensión se calibra correctamente, la hematita se deposita en el fondo y los fragmentos de mineral de silicato flotan y pueden eliminarse. [ 22 ]

Producción y consumo

Evolución de la ley del mineral de hierro extraído en Canadá , China , Australia , Brasil , Estados Unidos , Suecia , la Unión Soviética y Rusia , y el mundo. La reciente caída en la ley del mineral a nivel mundial se debe al consumo significativo de minerales chinos de baja ley. El mineral estadounidense, por otro lado, generalmente se refina entre un 61 % y un 64 % antes de su venta. [ 23 ]

El mineral de hierro representa el 93% de los metales extraídos en todo el mundo en 2021. [ 26 ] El acero, del cual el hierro es el ingrediente clave, representa casi el 95% de todos los metales utilizados 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 mineral de hierro están dominadas por los países que figuran en la tabla adjunta. La principal limitación económica para los yacimientos de mineral de hierro no reside necesariamente en la ley o el tamaño de los yacimientos, ya que no es particularmente difícil demostrar geológicamente la existencia de suficiente tonelaje de estas rocas. La principal limitación radica en la ubicación del mineral de hierro con respecto al mercado, el costo de la infraestructura ferroviaria para transportarlo y el costo energético necesario para ello.

La extracción de mineral de hierro es un negocio de alto volumen y bajo margen, ya que el valor del hierro es significativamente menor que el de los metales básicos. [ 27 ] Requiere una gran inversión de capital y una inversión considerable en infraestructura, como el ferrocarril, para transportar el mineral desde la mina hasta el buque de carga. [ 27 ] Por estas razones, la producción de mineral de hierro se concentra en manos de unos pocos actores principales.

La producción mundial promedio asciende a 2.000 millones de toneladas (2.000 millones de toneladas largas; 2.200 millones de toneladas cortas) de mineral en bruto anualmente. El mayor productor mundial de mineral de hierro es la empresa minera brasileña Vale , seguida por las compañías australianas Rio Tinto y BHP . Otro proveedor australiano, Fortescue , ha contribuido a que la producción australiana sea la primera del mundo.   

El comercio marítimo de mineral de hierro —es decir, el mineral de hierro que se envía a otros países— fue de 849 millones de toneladas (836 millones de toneladas largas; 936 millones de toneladas cortas) en 2004. [ 27 ] Australia y Brasil dominan el comercio marítimo, con el 72% del mercado. [ 27 ] BHP, Rio Tinto y Vale controlan el 66% de este mercado entre ellos. [ 27 ]   

En Australia , el mineral de hierro se obtiene de tres fuentes principales: el mineral de pisolita, un depósito de hierro de canal derivado de la erosión mecánica de formaciones primarias de hierro bandeado y acumulado en canales aluviales como en Pannawonica ; y los minerales asociados a formaciones de hierro bandeado alteradas metasomáticamente , como los de Newman , la cordillera de Chichester , la cordillera de Hamersley y Koolyanobbing , en Australia Occidental . Otros tipos de mineral están cobrando protagonismo recientemente, 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 aproximadamente 9.6 mil millones de toneladas (9.4 mil millones de toneladas largas; 10.6 mil millones de toneladas cortas) de hematita y 3.4 mil millones de toneladas (3.3 mil millones de toneladas largas; 3.7 mil millones de toneladas cortas) de magnetita . [ 28 ] 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 en promedio, siendo los principales consumidores China, Japón, Corea, Estados Unidos y la Unión Europea.      

Actualmente, China es el mayor consumidor de mineral de hierro, lo que la convierte en el mayor productor de acero del mundo. También es el mayor importador, habiendo adquirido el 52% del comercio marítimo de mineral de hierro en 2004. [ 27 ] 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 (579 millones de toneladas largas; 648 millones de toneladas cortas) de mineral de hierro, con un crecimiento anual del 38%.   

mercado del mineral de hierro

Precios del mineral de hierro (mensuales)
  Precio al contado de importación/entrada de mineral de hierro de China [ 29 ]
  Precio mundial del mineral de hierro [ 30 ]
Precios del mineral de hierro (diarios) del 25 de octubre de 2010 al 4 de agosto de 2022

Durante los últimos 40 años, los precios del mineral de hierro se han decidido en negociaciones a puerta cerrada entre el pequeño grupo de mineros y siderúrgicos que dominan tanto el mercado spot como el de contratos. Hasta 2006, los precios se determinaban en negociaciones de referencia anuales entre los principales productores de mineral de hierro ( BHP , Rio Tinto y Vale ) y los importadores japoneses. [ 31 ] : 31 En 2006, la empresa china Baosteel comenzó a gestionar las negociaciones en nombre de los importadores. [ 31 ] : 31 El gobierno chino sustituyó a Baosteel por la Asociación China del Hierro y el Acero como principal negociador en 2009. [ 31 ] : 109 Tradicionalmente, el primer acuerdo alcanzado entre los principales productores y los principales importadores establece un punto de referencia que debe seguir el resto de la industria. [ 3 ]

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 Boletín Metálico (MBIOI), que utiliza datos de precios diarios de un amplio espectro de participantes de la industria y la extensa base de contactos de productores de acero y comerciantes de mineral de hierro en toda China de Shanghai Steelhome, consultora y proveedora de datos independiente del sector siderúrgico chino. [ 32 ] El contrato de futuros ha registrado volúmenes mensuales superiores a 1,5 millones de toneladas (1,5 millones de toneladas largas; 1,7 millones de toneladas cortas) tras ocho meses de negociación. [ 33 ]   

Esta medida se produce tras el 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. [ 34 ]

Referencia Fe

El mercado mundial del mineral de hierro ha utilizado históricamente un índice de referencia basado en un contenido de hierro (Fe) del 62 % para establecer los precios. Sin embargo, en las últimas décadas, el contenido medio de hierro del mineral extraído ha disminuido gradualmente, mientras que la presencia de impurezas ha aumentado. En consecuencia, el índice de referencia del 62 % de Fe ya no representa con precisión el mineral típico que se comercializa en el mercado, que suele estar más cerca del 61 % de Fe. En respuesta a estos cambios, la industria del mineral de hierro tiene previsto adoptar un nuevo índice de referencia basado en un mineral con un 61 % de Fe a partir de 2026. [ 35 ]

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. [ 36 ] Se desconoce 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, para 2070), basándose en un crecimiento de la demanda del 2 % anual. [ 37 ]

Australia

En 2018, Geoscience Australia calculó que los " recursos económicos demostrados " de hierro del país ascienden actualmente a 33 mil millones de toneladas (32 mil millones de toneladas largas; 36 mil millones de toneladas cortas) . [ 38 ] Otra estimación de 2021 sitúa las reservas de mineral de hierro de Australia en 52 mil millones de toneladas (51 mil millones de toneladas largas; 57 mil millones de toneladas cortas) , o el 30% de las 170 mil millones de toneladas estimadas del mundo (170 mil millones de toneladas largas; 190 mil millones de toneladas cortas) , de las cuales Australia Occidental representa 28 mil millones de toneladas (28 mil millones de toneladas largas; 31 mil millones de toneladas cortas) . [ 39 ] La tasa de producción actual de la región de Pilbara de Australia Occidental es de aproximadamente 844 millones de toneladas (831 millones de toneladas largas; 930 millones de toneladas cortas) por año y está en aumento. [ 40 ] Gavin Mudd ( Universidad RMIT ) y Jonathon Law ( CSIRO ) esperan que desaparezca en 30-50 años y 56 años, respectivamente. [ 41 ] 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 minería y recuperación (que permiten la minería a mayor profundidad por debajo del nivel freático).               

Brasil

Brasil es el segundo mayor productor de mineral de hierro después de Australia, representando el 16% de la producción mundial. Tras un volumen de producción algo lento entre 2010 y 2020, debido en parte al desastre de la represa Mariana en 2015 y al desastre de la represa Brumadinho en 2019, que paralizaron la producción en las dos minas afectadas, la producción ha aumentado de forma constante desde 2021, cuando Brasil produjo 431 millones de toneladas (424 millones de toneladas largas; 475 millones de toneladas cortas) . En 2022 aumentó a 435 millones de toneladas (428 millones de toneladas largas; 480 millones de toneladas cortas) y en 2023 a 440 millones de toneladas (430 millones de toneladas largas; 490 millones de toneladas cortas) . [ 42 ]         

Se espera que la producción brasileña aumente a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR ) del 2 % entre 2023 y 2027, [ 43 ] y el analista de la industria Fitch Solutions pronosticó en 2021 que la producción anual de Brasil alcanzará los 592 millones de toneladas (583 millones de toneladas largas; 653 millones de toneladas cortas) para 2030. [ 44 ]   

Canadá

En 2017, las minas de mineral de hierro canadienses produjeron 49 millones de toneladas (48 millones de toneladas largas; 54 millones de toneladas cortas) de mineral de hierro en forma de pellets de concentrado y 13,6 millones de toneladas de acero bruto. De los 13,6 millones de toneladas (13,4 millones de toneladas largas; 15,0 millones de toneladas cortas) de acero , se exportaron 7 millones de toneladas (6,9 millones de toneladas largas; 7,7 millones de toneladas cortas) , y 43,1 millones de toneladas (42,4 millones de toneladas largas; 47,5 millones de toneladas cortas) de mineral de hierro se exportaron por un valor de 4.600 millones de dólares. Del mineral de hierro exportado, el 38,5% del volumen correspondió a pellets de mineral de hierro con un valor de 2.300 millones de dólares, y el 61,5% a concentrados de mineral de hierro con un valor de 2.300 millones de dólares. [ 45 ] El 46% 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 en Nunavut . [ 45 ] [ 46 ]                

India

Según el Informe de 2021 del Servicio Geológico de los Estados Unidos sobre el mineral de hierro, [ 47 ] se estima que India produjo 59 millones de toneladas (58 millones de toneladas largas; 65 millones de toneladas cortas) de mineral de hierro en 2020, lo que la sitúa como el séptimo centro mundial más grande 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 millones de toneladas (280 millones de toneladas largas; 314 millones de toneladas cortas) y fue el cuarto mayor productor del mundo. [ 48 ]   

Ucrania

Según el informe de 2021 del Servicio Geológico de los Estados Unidos sobre el mineral de hierro, [ 47 ] se estima que Ucrania produjo 62 millones de toneladas (61 millones de toneladas largas; 68 millones de toneladas cortas) de mineral de hierro en 2020, lo que la sitúa como el séptimo centro mundial más grande de producción de mineral de hierro, después de Australia, Brasil, China, India, Rusia y Sudáfrica. Los productores de mineral de hierro en Ucrania incluyen Ferrexpo , Metinvest y ArcelorMittal Kryvyi Rih .   

Estados Unidos

En 2014, las minas en los Estados Unidos produjeron 57,5 ​​millones de toneladas (56,6 millones de toneladas largas; 63,4 millones de toneladas cortas) de mineral de hierro con un valor estimado de $5,1 mil millones. [ 49 ] 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, de las cuales nueve 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 operando en 2014. [ 49 ] En los Estados Unidos, la mayor parte de la minería de mineral de hierro se encuentra en las cordilleras de hierro alrededor del lago Superior . Estos yacimientos de hierro se encuentran en Minnesota y Michigan, estados que en conjunto representaron el 93% del mineral de hierro utilizable producido en Estados Unidos en 2014. Siete de las nueve minas a cielo abierto operativas en Estados Unidos se ubican en Minnesota, así como dos de las tres operaciones de recuperación de relaves. Las otras dos minas a cielo abierto activas se ubicaban en Michigan . En 2016, una de las dos minas cerró. [ 49 ] 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 [ 49 ] y la última mina de mineral de hierro en Alabama cerró en 1975. [ 50 ]    

Fundición

Los minerales de hierro están compuestos por átomos de oxígeno y hierro unidos entre sí formando moléculas. Para convertirlos en hierro metálico, deben fundirse o someterse a un proceso de reducción directa para eliminar el oxígeno. Los enlaces oxígeno-hierro son fuertes, y para separar el hierro del oxígeno, se requiere un enlace elemental más fuerte que se una a este. Se utiliza carbono porque la fuerza del 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 su combustión durante el proceso de fundición.

El monóxido de carbono es el ingrediente principal en la eliminación química de 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 .

  • 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
    • Tercera etapa: FeO + CO → Fe + CO 2
  • Calcinación de la piedra caliza: CaCO₃ → CaO + CO₂
  • La cal actúa como fundente: CaO + SiO₂ → CaSiO₃

oligoelementos

La inclusión de incluso pequeñas cantidades de ciertos 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 positivos como negativos, algunos catastróficamente dañinos. Algunos productos químicos se añaden deliberadamente, como el fundente, que aumenta la eficiencia del alto horno. 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 el comportamiento de la escoria y las características operativas del hierro producido. Idealmente, el mineral de hierro contiene solo hierro y oxígeno. En realidad, esto rara vez ocurre. Por lo general, el mineral de hierro contiene una gran cantidad de elementos que suelen ser indeseables en el acero moderno.

Silicio

Sílice ( SiO2 ) está presente casi siempre en el mineral de hierro. La mayor parte se elimina durante el proceso de fundición. A temperaturas superiores a1300°C (2400°F), parte se reduce y forma una aleación con el hierro. Cuanto más caliente esté el horno, mayor será la cantidad de silicio presente en el hierro. No es raro encontrar hasta un 1,5 % de Si en hierro fundido europeo de los siglos XVI al XVIII.  

El efecto significativo del silicio es promover la formación de hierro gris. El hierro gris es menos quebradizo 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 poros, disminuyendo así el número de piezas defectuosas. Sin embargo, un exceso de silicio en el hierro conlleva una mayor fragilidad y una dureza moderada. [ 51 ]

Fósforo

El fósforo (P) tiene cuatro efectos significativos sobre el hierro: mayor dureza y resistencia, menor solidificación , mejor fluidez y fragilidad en frío. Dependiendo del uso previsto para el hierro, estos efectos pueden ser beneficiosos o perjudiciales. El mineral de pantano suele tener un alto contenido de fósforo. [ 52 ]

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 de carbono medio. El hierro con alto contenido de fósforo también se puede endurecer mediante martillado en frío. El efecto de endurecimiento se mantiene para cualquier concentración de fósforo. Cuanto más fósforo, más duro se vuelve el hierro y mayor es su capacidad de endurecimiento mediante martillado. Los fabricantes de acero modernos pueden aumentar la dureza hasta en un 30 %, sin sacrificar la resistencia al impacto, manteniendo los niveles de fósforo entre el 0,07 % y el 0,12 %. También aumenta la profundidad de endurecimiento por temple, pero al mismo tiempo, disminuye la solubilidad del carbono en el hierro a altas temperaturas. Esto reduciría su utilidad en la fabricación de acero ampollado ( cementación ), donde la velocidad y la cantidad de absorción de carbono son las consideraciones primordiales.

La adición de fósforo tiene una desventaja. En concentraciones superiores al 0,2 %, el hierro se vuelve cada vez más quebradizo o frágil a bajas temperaturas. La fragilidad en frío es especialmente importante para el hierro en barra. Aunque el hierro en barra se suele trabajar en caliente, sus usos a menudo requieren que sea resistente, flexible y a prueba de golpes a temperatura ambiente. Un clavo que se rompe al golpearlo con un martillo o una rueda de carruaje que se quiebra al chocar contra una roca no se venderían bien. Concentraciones suficientemente altas de fósforo hacen que cualquier hierro sea inutilizable. [ 53 ] Los efectos de la fragilidad en frío se magnifican con la temperatura. Por lo tanto, una pieza de hierro que es perfectamente útil en verano podría volverse extremadamente frágil en invierno. Hay indicios de que durante la Edad Media, los más ricos podían tener una espada con alto contenido de fósforo para el verano y una con bajo contenido de fósforo para el invierno. [ 53 ]

Un control preciso del fósforo puede ser de gran beneficio en las operaciones de fundición. El fósforo reduce el punto de fusión, lo que permite que el hierro permanezca fundido durante más tiempo y aumenta su fluidez. La adición de un 1 % puede duplicar la distancia que el hierro fundido puede recorrer. [ 53 ] El efecto máximo, alrededor de 500 °C (930 °F) , se alcanza con una concentración del 10,2 %. [ 54 ] Para trabajos de fundición, Turner [ 55 ] consideró que el hierro ideal tenía entre un 0,2 % y un 0,55 % de fósforo. Los moldes resultantes, llenos de hierro y con menos huecos, también se contraían menos. En el siglo XIX, algunos productores de hierro fundido decorativo utilizaban hierro con hasta un 5 % de fósforo. La extrema fluidez les permitía realizar fundiciones muy complejas y delicadas, pero no podían soportar peso, ya que carecían de resistencia. [ 56 ]  

Existen dos soluciones para el hierro con alto contenido de fósforo. La más antigua, sencilla y económica es evitarlo. Si el hierro producido por el mineral era deficiente en frío, se buscaría una nueva fuente de mineral de hierro. El segundo método consiste en oxidar el fósforo durante el proceso de refinamiento mediante la adición de óxido de hierro. Esta técnica se asocia generalmente con el proceso de pudelación en el siglo XIX y es posible que no se conociera antes. Por ejemplo, Isaac Zane, propietario de Marlboro Iron Works, aparentemente la desconocía en 1772. Dada la reputación de Zane de estar al tanto de los últimos avances, es probable que la técnica fuera desconocida para los magnates del hierro de Virginia y Pensilvania .

El fósforo se considera generalmente un contaminante nocivo porque vuelve quebradizo el acero, incluso en concentraciones tan bajas como el 0,6 %. Cuando el proceso Gilchrist-Thomas permitió eliminar grandes cantidades de este elemento del hierro fundido en la década de 1870, supuso un avance significativo, ya que la mayoría de los minerales de hierro extraídos en Europa continental en aquel entonces contenían fósforo. Sin embargo, eliminar todos los contaminantes mediante fundentes o fundición es complicado, por lo que los minerales de hierro deseables deben tener, por lo general, un bajo contenido de fósforo desde el principio.

Aluminio

En muchos minerales, como el mineral de hierro, la arena y algunas calizas, se encuentran pequeñas cantidades de aluminio (Al). El aluminio puede eliminarse lavando el mineral antes de la fundición. Hasta la introducción de los hornos revestidos de ladrillo, la contaminación por aluminio era lo suficientemente baja como para no afectar ni al hierro ni a la escoria. Sin embargo, cuando se empezó a utilizar ladrillo para los hogares y el interior de los altos hornos, la 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 tanto, la contaminación del hierro con aluminio no representa un problema. Sin embargo, sí aumenta la viscosidad de la escoria. [ 57 ] [ 58 ] Esto tendrá varios 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. En casos extremos, esto podría provocar la congelación del horno.

Existen varias soluciones para la escoria con alto contenido de aluminio. La primera es evitarla: no utilice mineral ni fuente de cal con alto contenido de aluminio. Aumentar la proporción de fundente de cal disminuirá la viscosidad. [ 58 ]

Azufre

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 tanto en hierro líquido como sólido a las temperaturas presentes en la fundición. Los efectos incluso de pequeñas cantidades de azufre son inmediatos y graves. Fueron de los primeros problemas que descubrieron los fabricantes de hierro. El azufre provoca que el hierro se vuelva rojo o se vuelva quebradizo. [ 59 ]

El hierro fundido en caliente es quebradizo. Esto representaba un grave problema, ya que la mayor parte del hierro utilizado durante los siglos XVII y XVIII era hierro forjado o en barras. El hierro forjado se moldea mediante repetidos golpes de martillo mientras está caliente. Una pieza de hierro fundido 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 impide reparar la grieta mediante soldadura. Las grietas grandes provocan que el hierro o el acero se rompan. Las grietas más pequeñas pueden causar que el objeto falle durante su 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 fundido caliente se puede trabajar, pero debe hacerse a bajas temperaturas. Trabajar a bajas temperaturas exige un mayor esfuerzo físico por parte del herrero o forjador. El metal debe golpearse con más frecuencia y fuerza para lograr el mismo resultado. Una barra ligeramente contaminada con azufre también se puede trabajar, pero requiere mucho más tiempo y esfuerzo.

En el hierro fundido, el azufre promueve la formación de hierro blanco. Tan solo un 0,5% puede contrarrestar los efectos del enfriamiento lento y un alto contenido de silicio. [ 60 ] El hierro fundido blanco es más quebradizo, pero también más duro. Generalmente se evita porque es difícil de trabajar, excepto en China, donde el hierro fundido con alto contenido de azufre, algunos hasta un 0,57%, hecho con carbón y coque, se usaba para hacer campanas y carillones. [ 61 ] Según Turner (1900 , pág. 200) , un buen hierro de fundición debe tener menos del 0,15% de azufre. En el resto del mundo, un hierro fundido con alto contenido de azufre se puede usar para hacer piezas fundidas, pero producirá un hierro forjado de mala calidad. 

Existen varios remedios para la contaminación por azufre. El primero, y el más utilizado en operaciones históricas y prehistóricas, es evitarla. En Europa, a diferencia de China, el carbón no se utilizaba como combustible para la fundición porque contiene azufre y, por lo tanto, produce hierro fundido fino. Si un mineral resultaba en hierro fundido fino, los maestros herreros buscaban otro. Cuando se empezó a usar carbón mineral en los altos hornos europeos en 1709 (o quizás antes), se coquizaba . Solo con la introducción del aire caliente a partir de 1829 se empezó a usar carbón crudo.

Tostado de minerales

El azufre se puede eliminar de los minerales mediante tostación y lavado. La tostación oxida el azufre para formar dióxido de azufre (SO₂ ) , que se libera a la atmósfera o se puede lavar. En climas cálidos, es posible dejar el mineral pirítico expuesto a 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. [ 62 ] Sin embargo, históricamente (al menos), el sulfuro de hierro ( pirita de hierro FeS2 ), 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. Este mismo proceso, a velocidad geológica, da como resultado losde limonitagossan .

La importancia que se le daba al hierro con bajo contenido de azufre queda demostrada por los precios consistentemente más altos que se pagaban por el hierro de Suecia, Rusia y España entre los siglos XVI y XVIII. Hoy en día, el azufre ya no representa un problema. La solución moderna consiste en la adición de manganeso , pero el operario debe conocer la cantidad de azufre presente en el hierro, ya que se requiere al menos cinco veces la cantidad de manganeso para neutralizarlo. Algunos hierros históricos presentan niveles de manganeso, pero la mayoría se encuentran muy por debajo del nivel necesario para neutralizar el azufre. [ 60 ]

La inclusión de sulfuro como sulfuro de manganeso (MnS) también puede ser la causa de graves problemas de corrosión por picaduras en aceros inoxidables de baja calidad como el acero AISI 304. [ 63 ] [ 64 ] 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 el crecimiento de picaduras. [ 65 ] De hecho, las cargas eléctricas positivas que llevan los cationes Fe 2+ liberados en solución por la oxidación de Fe en la zona anódica dentro de la picadura deben ser rápidamente compensadas/neutralizadas por cargas negativas aportadas 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 que se encuentran en la electroforesis capilar . Cuanto mayor sea la velocidad de migración electrocinética de aniones, mayor será la velocidad de corrosión por picaduras. El transporte electrocinético de iones dentro de la cavidad puede ser la etapa limitante de la velocidad de crecimiento de la misma.

Véase también

Notas

  1. ↑ Las estimaciones de producción minera para China se calculan a partir de las estadísticas de mineral en bruto de la Oficina Nacional de Estadística de China, en lugar de mineral utilizable como se informa para los demás países. [ 25 ]

Citas

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  • Información moderna
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